SPECTRUM數(shù)字化儀使氫燃料電池技術(shù)再攀高峰
新計(jì)算機(jī)模型在研究中展現(xiàn)出成本和時(shí)間優(yōu)勢(shì)
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(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。這種電池唯一的排放物質(zhì)為水蒸氣，同時(shí)以存量豐富的、可以通過(guò)可再生能源進(jìn)行制備的氫為燃料。然而，就目前來(lái)說(shuō)，這種新興技術(shù)代價(jià)昂貴。位于德國(guó)杜伊斯堡的氫燃料電池中心的ZBT股份有限公司正在進(jìn)行一項(xiàng)有關(guān)氫燃料電池設(shè)計(jì)改進(jìn)的研究項(xiàng)目。在為燃料電池進(jìn)行計(jì)算機(jī)模型時(shí)，他們使用SPECTRUM儀器公司的8通道數(shù)字化儀M2i.4652來(lái)分析測(cè)試臺(tái)上不同燃料電池的性能，并提供現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)以改進(jìn)虛擬電池模型。
ZBT主實(shí)驗(yàn)室里的兩個(gè)燃料電池測(cè)試站
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解釋道:“燃料電池的計(jì)算機(jī)模型非常復(fù)雜，我們可以通過(guò)調(diào)整許多影響其性能的變量來(lái)觀察提升性能的關(guān)鍵因素。不過(guò)，這些都只是理論，測(cè)試平臺(tái)可以讓我們看到現(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)變化是如何影響其性能的。我們很快就意識(shí)到，每秒鐘的數(shù)據(jù)捕捉速度并不能達(dá)到我們對(duì)細(xì)節(jié)所需要的水平?！?/span>
“我們現(xiàn)在使用了3個(gè)SPECTRUM數(shù)字化儀，3GS/s的采樣速率和20個(gè)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(jìn)行動(dòng)態(tài)步變化分析，而且能對(duì)極精細(xì)的高頻疊加進(jìn)行分析。這些卡片之間完全同步，并與測(cè)試平臺(tái)直接連接?？ㄆ男阅芎唾|(zhì)量也堪稱行業(yè)頂尖，自使用之初便表現(xiàn)卓越?！?/span>
這些測(cè)量使深入了解燃料電池內(nèi)部的運(yùn)作成為可能。也對(duì)燃料電池的內(nèi)部運(yùn)作及分布問題做了解答。這對(duì)于在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中避免局部供應(yīng)不足或集中優(yōu)化運(yùn)行條件而言至關(guān)重要。如果計(jì)算機(jī)模型可以用數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，那么模型預(yù)測(cè)的可靠性將普遍提高。因此，越來(lái)越多的開發(fā)和優(yōu)化過(guò)程得以通過(guò)虛擬方式進(jìn)行，顯著降低了主要成本而且極具時(shí)間優(yōu)勢(shì)。G?ssling 博士說(shuō)道：“用實(shí)際獲得的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證預(yù)測(cè)的做法是科學(xué)的，這對(duì)我們改進(jìn)燃料電池設(shè)計(jì)進(jìn)而降低燃料電池成本是一個(gè)強(qiáng)大的助力，未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將憑借優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)態(tài)映射。基于此模型建立的預(yù)測(cè)控制模型，可以控制壓縮機(jī)、節(jié)氣門以及燃料電池負(fù)載之間的相互作用。這被用于優(yōu)化燃料電池的整體運(yùn)行，在提高效率的同時(shí)保持使用壽命不變。
通過(guò)使用基于模型的控制方法，搭配為燃料電池及其外設(shè)量身定做的動(dòng)態(tài)模型，將使燃料電池的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。一方面，燃料電池的工作點(diǎn)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(guān)的策略使其操作范圍擴(kuò)大，從而避免使用壽命縮短。
氫燃料電池技術(shù)
以氫氣作為燃料，借助催化劑與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，催化劑通常是鉑。反應(yīng)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(shè)備提供動(dòng)力。在化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能方面，燃料電池比基于燃燒的技術(shù)效率要高得多。此外，氫可以通過(guò)可再生電能的電解制備，因此可以作為無(wú)碳排放能源轉(zhuǎn)型的一部分。
氫被輸送到燃料電池的陽(yáng)極，而空氣被輸送到電池陰極。陽(yáng)極處的催化劑將氫原子分離成質(zhì)子和電子，它們通過(guò)不同的路徑到達(dá)陰極。電子通過(guò)外部回路，產(chǎn)生電流。質(zhì)子通過(guò)電解液遷移到陰極，并與氧氣和電子結(jié)合，產(chǎn)生水和熱能。
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。大容量的電池因?yàn)榇呋瘎┍砻娣e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(guò)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(dòng)，可以提升催化反應(yīng)效率，從而提高性能而不增加電池尺寸。另一個(gè)改進(jìn)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(guò)熱。
耐久性
測(cè)試平臺(tái)可以研究現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)行條件，隨著時(shí)間的推移這些被研究的因素將會(huì)影響燃料電池的性能。因素包括由啟動(dòng)和停止引起的負(fù)荷條件的變化，以及應(yīng)對(duì)車輛運(yùn)行的極端溫度和濕度。今后，這些因素將會(huì)增強(qiáng)燃料電池系統(tǒng)材料的機(jī)械穩(wěn)定性。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槿剂想姵氐膽?yīng)用需要其具有較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。例如，美國(guó)能源部為燃料電池系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行條件下的壽命設(shè)定的終極要求：輕型車輛燃料電池壽命為8,000小時(shí)，重型卡車燃料電池壽命為30,000小時(shí)，分布式電力系統(tǒng)燃料電池壽命為80,000小時(shí)。
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