在研究中兼具成本效益和時間優勢的計算機模型

德國漢斯多爾夫,2021年9月15日訊——氫燃料電池將在減少碳排放方面發揮重要作用,尤其是在汽車、重型卡車和公共汽車等移動應用領域。這種燃料唯一排放的便是氫含量豐富的水蒸氣,可通過可再生能源制造。然而,這種新興技術目前來說十分昂貴。位于德國杜伊斯堡的氫燃料電池中心的ZBT公司正在進行一項有關氫燃料電池設計改進的研究項目。燃料電池進行計算機建模時使用了Spectrum儀器公司的8通道數字化儀M2i.4652,主要用于測試平臺分析不同燃料電池的性能,并通過提供現實世界的數據來改進虛擬電池模型。

ZBT為移動應用提供了兩款不同的燃料電池

燃料電池系統模擬與控制小組組長工程學博士Sönke Gössling解釋道:“燃料電池的計算機模型非常復雜,因此我們可以通過調整影響其性能的很多變量來觀察提升性能的關鍵因素。然而,這些僅限于理論層面。因此,測試平臺能夠使我們看到現實世界的參數變化是如何影響其性能的。隨后我們很快意識到,每秒的數據捕捉速度并不能滿足我們所需的細節水平。”

ZBT主實驗室的兩個燃料電池測試站

“我們現在使用了3個Spectrum數字化儀,這也極大地提高了我們的數據速率。這使我們獲取到三個以Mega-Samples每秒速度且擁有20個同步通道的數據。這不僅方便我們分析動態步驟的變化,還能在一個令人難以置信的層級分析疊加高頻。這些卡片之間完全同步并與測試平臺環境直觀且簡便的連接。這些卡片堪稱行業頂尖,自使用之初便表現卓越。”

這些測量方便我們了解燃料電池內部的運作。它們也完美地解答了燃料電池內的運作以及分布問題。這對于在動態運行中避免局部供應不足或集中優化運行條件而言至關重要。如果計算機模型能被數據驗證,模型預測的可靠性將普遍得以提升。因此,大量的開發和優化過程將可以通過虛擬方式進行,這也將顯著地降低成本并具有時間優勢。工程學博士Gössling表示:“通過在現實世界獲得的結果來驗證預測是科學方法的重要組成部分,這將對我們改進燃料電池設計進而顯著降低燃料電池成本的目標起到巨大的作用。未來這項技術將憑借實惠的價格和超強的競爭力得以普及。”

研發的核心是沿著燃料電池陰極路徑的所有組件做出正確的動態映射。基于這些模型所建立的預測控制模型,將控制壓縮機、節氣門和燃料電池負載之間的相互作用。這將用來優化燃料電池的整體運行,并在提升效率的同時保持同等的使用壽命。

通過基于模型的控制方法,搭配為燃料電池量身定做的動態模型將使燃料電池的優勢發揮到極致。一方面,燃料電池的運作點要盡可能節能;另一方面,燃料電池的運行-參數-依賴策略可以擴大其工作范圍,從而避免不必要的使用壽命縮短。

氫燃料電池的解析

氫燃料電池技術

它是以氫氣作為燃料,在催化劑的幫助下與空氣中的氧氣反應,通常是鉑。這個反應產生電力,并通過熱和水蒸汽為車輛或其他設備提供動力。在將燃料中的化學能轉化為電能方面,燃料電池比基于燃燒的技術效率高得多。此外,氫可以通過可再生電力的電解生產,因此可以成為無碳排放能源轉型的一部分。

氫被輸送到燃料電池的陽極,而空氣則被輸送到陰極。陽極上的催化劑將氫原子分離成質子和電子,它們通過不同的路徑到達陰極。電子通過外部電路產生電流。質子通過電解液遷移到陰極,在那里它們與氧和電子結合產生水和熱。

燃料電池設計變量

燃料電池的尺寸選擇是獲得最佳輸出的關鍵。大電池能夠提供更多的功率輸出,然而更大的催化劑表面積也意味著重量和成本的增加,特別是采用鉑作為催化劑。調節燃料電池堆中電極之間的間距和通過改善電池的氣體流動可以提升催化反應,可以在不增加尺寸的前提下改善性能。另一個被優化的因素是將廢水蒸汽移出電池,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清除,防止過熱。

耐用性

該測試平臺能夠調查現實世界的操作條件,隨著時間的推移這將影響燃料電池的性能。這包括由啟動和停止引起的負載條件的變化,以及應對車輛運行的極端溫度和濕度。今后,這些因素會增加燃料電池系統材料的機械穩定性。這一點很重要,因為燃料電池的應用需要很長的運行壽命。例如,美國能源部為燃料電池系統設定了在現實運行條件下的最終目標:輕型車輛壽命為8000小時,重型卡車壽命為30000小時,分布式電力系統壽命為80000小時。

關于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年,迄今為止設計和研發了多款模塊化數字化儀及發生器產品,其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及獨立以太網設備(LXI)。在過去30年間,Spectrum獲得了業界的廣泛認可,旗下產品也被用于行業領軍企業及一流大學的眾多產品和科研項目中。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近的漢斯多爾夫,憑借卓越的技術能力和優質的客戶服務享譽全球。

(新媒體責編：syhz0808)