新計算機模型在研究中展現(xiàn)出成本和時間優(yōu)勢

氫燃料電池將在減少碳排放方面發(fā)揮重要作用,，尤其是在汽車,、重型卡車和公共汽車等移動應用領域,。這種電池唯一的排放物質(zhì)為水蒸氣，同時以存量豐富的,、可以通過可再生能源進行制備的氫為燃料,。然而，就目前來說,，這種新興技術代價昂貴,。位于德國杜伊斯堡的氫燃料電池中心的ZBT股份有限公司正在進行一項有關氫燃料電池設計改進的研究項目。在為燃料電池進行計算機模型時,，他們使用SPECTRUM儀器公司的8通道數(shù)字化儀M2i.4652來分析測試臺上不同燃料電池的性能,，并提供現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)以改進虛擬電池模型,。

ZBT主實驗室里的兩個燃料電池測試站

燃料電池系統(tǒng)模擬與控制小組組長，工程學博士S?nke G?ssling解釋道:“燃料電池的計算機模型非常復雜,，我們可以通過調(diào)整許多影響其性能的變量來觀察提升性能的關鍵因素,。不過，這些都只是理論,，測試平臺可以讓我們看到現(xiàn)實世界的參數(shù)變化是如何影響其性能的,。我們很快就意識到，每秒鐘的數(shù)據(jù)捕捉速度并不能達到我們對細節(jié)所需要的水平,?！?/span>

“我們現(xiàn)在使用了3個SPECTRUM數(shù)字化儀，3GS/s的采樣速率和20個并行通道讓我們的數(shù)據(jù)捕捉速率顯著提高,。這不僅使我們能夠進行動態(tài)步變化分析,，而且能對極精細的高頻疊加進行分析。這些卡片之間完全同步,，并與測試平臺直接連接,。卡片的性能和質(zhì)量也堪稱行業(yè)頂尖,，自使用之初便表現(xiàn)卓越,。”

這些測量使深入了解燃料電池內(nèi)部的運作成為可能,。也對燃料電池的內(nèi)部運作及分布問題做了解答,。這對于在動態(tài)運行中避免局部供應不足或集中優(yōu)化運行條件而言至關重要。如果計算機模型可以用數(shù)據(jù)進行驗證,，那么模型預測的可靠性將普遍提高,。因此，越來越多的開發(fā)和優(yōu)化過程得以通過虛擬方式進行,，顯著降低了主要成本而且極具時間優(yōu)勢,。G?ssling 博士說道：“用實際獲得的結果來驗證預測的做法是科學的，這對我們改進燃料電池設計進而降低燃料電池成本是一個強大的助力,，未來這項技術將憑借優(yōu)越的經(jīng)濟效益和競爭力得以普及,。”

研發(fā)的核心是沿著燃料電池陰極路徑的所有組件做出的正確動態(tài)映射?；诖四Ｐ徒⒌念A測控制模型,，可以控制壓縮機、節(jié)氣門以及燃料電池負載之間的相互作用,。這被用于優(yōu)化燃料電池的整體運行,，在提高效率的同時保持使用壽命不變。

通過使用基于模型的控制方法,，搭配為燃料電池及其外設量身定做的動態(tài)模型,，將使燃料電池的優(yōu)勢發(fā)揮到極致,。一方面，燃料電池的工作點可以盡可能選擇節(jié)能的,；另一方面,，制定與燃料電池操作參數(shù)相關的策略使其操作范圍擴大，從而避免使用壽命縮短,。

氫燃料電池技術

以氫氣作為燃料,，借助催化劑與空氣中的氧氣發(fā)生反應，催化劑通常是鉑,。反應產(chǎn)生電力和副產(chǎn)品熱能及水蒸氣,，電力可為車輛或其他設備提供動力。在化學能轉化為電能方面,，燃料電池比基于燃燒的技術效率要高得多,。此外，氫可以通過可再生電能的電解制備,，因此可以作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，而空氣被輸送到電池陰極,。陽極處的催化劑將氫原子分離成質(zhì)子和電子,，它們通過不同的路徑到達陰極。電子通過外部回路,，產(chǎn)生電流,。質(zhì)子通過電解液遷移到陰極，并與氧氣和電子結合,，產(chǎn)生水和熱能,。

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。大容量的電池因為催化劑表面積大,，輸出功率也更大,，但這增加了電池重量和成本，尤其是以鉑為典型的催化劑,。通過調(diào)整燃料電池堆中電極之間的間距和改善電池內(nèi)的氣體流動，可以提升催化反應效率,，從而提高性能而不增加電池尺寸,。另一個改進的地方是將廢水蒸氣排出電池，防止它阻塞催化劑表面,。電池產(chǎn)生的另一種熱量廢物也必須有效地從電池中去除,，以防止過熱。

耐久性

測試平臺可以研究現(xiàn)實世界的運行條件,，隨著時間的推移這些被研究的因素將會影響燃料電池的性能,。因素包括由啟動和停止引起的負荷條件的變化,，以及應對車輛運行的極端溫度和濕度。今后,，這些因素將會增強燃料電池系統(tǒng)材料的機械穩(wěn)定性,。這一點很重要，因為燃料電池的應用需要其具有較長的運行壽命,。例如,，美國能源部為燃料電池系統(tǒng)在現(xiàn)實運行條件下的壽命設定的終極要求：輕型車輛燃料電池壽命為8,000小時，重型卡車燃料電池壽命為30,000小時,，分布式電力系統(tǒng)燃料電池壽命為80,000小時,。