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在研究中結(jié)合成本效益和時(shí)間優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)模型
德國(guó)漢斯多夫，2021年9月15日——?dú)淙剂想姵貙⒃跍p少碳排放方面發(fā)揮重要作用，尤其是在汽車、重型卡車和公共汽車等移動(dòng)應(yīng)用中。這種燃料的唯一排放物是富含氫的水蒸氣，它可以由可再生能源產(chǎn)生。然而，這種新興技術(shù)目前非常昂貴。ZBT位于德國(guó)杜伊斯堡的氫燃料電池中心，正在進(jìn)行一項(xiàng)關(guān)于氫燃料電池設(shè)計(jì)和改進(jìn)的研究項(xiàng)目。Spectrum Instruments 的 8 通道數(shù)字化儀 M2i.4652 用于燃料電池的計(jì)算機(jī)建模，主要用于測(cè)試平臺(tái)分析不同燃料電池的性能，并通過提供實(shí)世界數(shù)據(jù)。
燃料電池系統(tǒng)模擬與控制小組組長(zhǎng)工程學(xué)博士S?nke G?ssling解釋說：“燃料電池的計(jì)算機(jī)模型非常復(fù)雜，因此我們可以通過調(diào)整影響其性能的許多變量來觀察提高性能的關(guān)鍵因素。但是，這些僅限于理論水平。因此，測(cè)試平臺(tái)讓我們可以看到真實(shí)世界的參數(shù)變化如何影響其性能，然后我們很快意識(shí)到每秒的數(shù)據(jù)捕獲速度無法滿足我們需要的細(xì)節(jié)水平?！?/span>
“我們現(xiàn)在使用了3臺(tái)Spectrum數(shù)字化儀，這大大提高了我們的數(shù)據(jù)速率。這使我們能夠以20個(gè)同步通道的數(shù)據(jù)每秒獲得3個(gè) Mega-Samples。這不僅方便我們的分析動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)的變化還可以”分析并疊加在令人難以置信的高頻水平上。這些卡片完全同步，并且直觀、輕松地連接到測(cè)試平臺(tái)環(huán)境。這些卡片在行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，自使用之初就表現(xiàn)出色。”
這些測(cè)量使我們能夠了解燃料電池的內(nèi)部操作，它們還完美地解決了燃料電池中的運(yùn)行和分配問題，這對(duì)于避免局部短缺或在動(dòng)態(tài)運(yùn)行期間集中優(yōu)化運(yùn)行條件至關(guān)重要，如果計(jì)算機(jī)模型能夠通過數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，一般會(huì)提高模型預(yù)測(cè)的可靠性。因此，可以通過虛擬方式進(jìn)行大量的開發(fā)和優(yōu)化過程，這也將顯著降低成本并具有時(shí)間優(yōu)勢(shì)。工程學(xué)G?ssling說：“通過在現(xiàn)實(shí)世界中獲得的結(jié)果來驗(yàn)證預(yù)測(cè)是科學(xué)方法的重要組成部分，它將在我們改進(jìn)燃料電池設(shè)計(jì)和顯著降低燃料電池成本的目標(biāo)中發(fā)揮巨大作用。這將是未來。該技術(shù)將憑借實(shí)惠的價(jià)格和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力得到普及。” 研發(fā)的核心是對(duì)燃料電池陰極路徑上的所有組件進(jìn)行正確的動(dòng)態(tài)映射?；谶@些模型的預(yù)測(cè)控制模型將控制壓縮機(jī)、節(jié)流閥和燃料電池負(fù)載之間的相互作用。這將用于優(yōu)化燃料電池的整體運(yùn)行，并在提高效率的同時(shí)保持相同的使用壽命。
通過基于模型的控制方法，再加上為燃料電池量身定制的動(dòng)態(tài)模型，燃料電池的優(yōu)勢(shì)將得到最大程度地發(fā)揮。一方面，燃料電池的工作點(diǎn)應(yīng)盡可能節(jié)能；另一方面，燃料電池的運(yùn)行參數(shù)依賴策略可以擴(kuò)大其工作范圍，從而避免其使用壽命的不必要縮短。
氫燃料電池技術(shù)
它使用氫氣作為燃料，并在催化劑（通常是鉑）的幫助下與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。這種反應(yīng)產(chǎn)生電力，并利用熱量和水蒸氣為車輛或其他設(shè)備提供動(dòng)力。在將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能方面，燃料電池比基于燃燒的技術(shù)高效得多。此外，氫氣可以通過可再生電力的電解生產(chǎn)，因此可以成為無碳能源轉(zhuǎn)型的一部分。
氫氣被輸送到燃料電池的陽極，空氣被輸送到陰極。陽極上的催化劑將氫原子分離成質(zhì)子和電子，通過不同的路徑到達(dá)陰極，電子通過外部電路產(chǎn)生電流，質(zhì)子通過電解質(zhì)遷移到陰極，在那里它們與氧和電子結(jié)合產(chǎn)生水和熱。
燃料電池設(shè)計(jì)變量
燃料電池的尺寸選擇是獲得最佳輸出的關(guān)鍵，大電池可以提供更多的功率輸出，但更大的催化劑表面積也意味著重量和成本的增加，尤其是當(dāng)使用鉑作為催化劑時(shí)，調(diào)整燃料電池堆中電極之間的間距，改善電池的氣體流量，可以在不增加尺寸的情況下增強(qiáng)催化反應(yīng)并提高性能。另一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的因素是從電池中去除廢水蒸汽，以防止其堵塞催化表面。另一種廢熱也必須有效地從電池中排出，以防止過熱。
耐用性
該測(cè)試平臺(tái)能夠研究實(shí)際操作條件，隨著時(shí)間的推移，這些條件會(huì)影響燃料電池的性能。這包括由啟動(dòng)和停止引起的負(fù)載條件變化，以及響應(yīng)車輛運(yùn)行的極端溫度和濕度。未來，這些因素將增加燃料電池系統(tǒng)材料的機(jī)械穩(wěn)定性。這很重要，因?yàn)槿剂想姵氐膽?yīng)用需要較長(zhǎng)的使用壽命。例如，美國(guó)能源部為燃料電池系統(tǒng)設(shè)定了現(xiàn)實(shí)運(yùn)行條件下的最終目標(biāo)：輕型車壽命8000小時(shí)，重型卡車壽命30000小時(shí)，分布式電源系統(tǒng)壽命80000小時(shí)。
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