[論文レビュー] Thermal Modelling and Controller Design of an Alkaline Electrolysis System under Dynamic Operating Conditions

Ruomei Qi, Jiarong Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2022

Fuel Cells and Related Materials被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、動的条件下におけるアルカリ形電解水素生成装置の制御に適した3次時間遅れ熱モデルを提案し、温度上昇の抑制を目的とした2つの高度な制御器—電流フィードフォワードPID（PID-I）およびモデル予測制御（MPC）—の設計を可能にする。実験結果では、PID-Iで2.2 °Cの上昇抑制が達成され、MPCではほぼゼロの上昇が実現した。また、シミュレーションでは、MWスケールのシステムにおいて、より高い設定温度での運用が可能となり、1%の効率向上が達成可能であることが示された。

ABSTRACT

Thermal management is vital for the efficient and safe operation of alkaline electrolysis systems. Traditional alkaline electrolysis systems use simple proportional-integral-differentiation (PID) controllers to maintain the stack temperature near the rated value. However, in renewable-to-hydrogen scenarios, the stack temperature is disturbed by load fluctuations, and the temperature overshoot phenomenon occurs which can exceed the upper limit and harm the stack. This paper focuses on the thermal modelling and controller design of an alkaline electrolysis system under dynamic operating conditions. A control-oriented thermal model is established in the form of a third-order time-delay process, which is used for simulation and controller design. Based on this model, we propose two novel controllers to reduce temperature overshoot: one is a current feed-forward PID controller (PID-I), the other is a model predictive controller (MPC). Their performances are tested on a lab-scale system and the experimental results are satisfying: the temperature overshoot is reduced by 2.2 degree with the PID-I controller, and no obvious overshoot is observed with the MPC controller. Furthermore, the thermal dynamic performance of an MW-scale alkaline electrolysis system is analyzed by simulation, which shows that the temperature overshoot phenomenon is more general in large systems. The proposed method allows for higher temperature set points which can improve system efficiency by 1%.

研究の動機と目的

• 負荷変動に起因する動的運転下におけるアルカリ形電解水素生成スタックの温度上昇の深刻な課題に対処する。
• 過渡状態下での制御器設計に適した、簡素化されつつも高精度な制御指向熱モデルを構築する。
• 従来のPIDと比較して、熱的安定性とシステムの安全性を向上させる新規の温度制御器を設計・検証する。
• MWスケールのアルカリ形電解水素生成システムへの熱制御性能のスケーラビリティを評価する。
• 安全性を損なわずに効率を向上させるために、より高い温度設定値の実現を可能にする。

提案手法

• アルカリ形電解水素生成スタックの熱的ダイナミクスを表現するため、3次時間遅れプロセスモデルを構築し、主要な熱的インクリメンタルおよび遅延効果を捉える。
• リアルタイムの電流測定値を用いて負荷に起因する熱的擾乱を予測する電流フィードフォワードPID制御器（PID-I）を定式化する。
• 熱モデルに基づくモデル予測制御器（MPC）を設計し、予測期間内での制御行動を最適化することで、上昇を最小限に抑える。
• 変動する負荷条件下での実験データを用いて、ラボスケールの電解水素生成システム上で制御器を検証する。
• MWスケールのシステムへの応用を想定し、動的運転下での熱的性能と効率の潜在的可能性を評価するため、シミュレーションを用いて分析を拡張する。
• 熱モデルを用いて温度応答をシミュレートし、異なるシステムスケールにおける上昇挙動を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的運転下での負荷変動が、アルカリ形電解水素生成スタックの温度上昇を引き起こすメカニズムは何か？
• RQ2 簡素化された3次時間遅れ熱モデルは、制御器設計に適した熱的ダイナミクスを正確に表現できるか？
• RQ3 電流フィードフォワードPID制御器は、標準PIDと比較して、どの程度温度上昇を低減できるか？
• RQ4 モデル予測制御（MPC）は、PIDベースの手法と比較して、温度上昇の低減をより効果的に行えるか？
• RQ5 高度な熱制御を用いることで、MWスケールのアルカリ形電解水素生成システムで温度設定値を引き上げた場合、どの程度の効率向上が達成可能か？

主な発見

• 提案された3次時間遅れ熱モデルは、過渡状態下におけるアルカリ形電解水素生成スタックの熱的ダイナミクスを正確に捉えている。
• 電流フィードフォワードPID（PID-I）制御器は、ラボスケール実験において、従来のPID制御と比較して2.2 °Cの温度上昇低減を達成した。
• モデル予測制御器（MPC）は、動的負荷変更時における顕著な温度上昇を効果的に排除した。
• MWスケールシステムのシミュレーション結果から、動的運転下では大規模システムにおいて温度上昇が顕著に顕在することが確認された。
• 高度な制御を用いてより高い温度設定値を実現することで、システム効率を約1%向上できる。
• MPC制御器は、PID-Iおよび標準PIDと比較して、より優れたロバストネスと性能を示した。