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在研究中結合成本效益和時間優勢的計算機模型
德國漢斯多夫，2021年9月15日——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生。然而，這種新興技術目前非常昂貴。ZBT位于德國杜伊斯堡的氫燃料電池中心，正在進行一項關于氫燃料電池設計和改進的研究項目。Spectrum Instruments 的 8 通道數字化儀 M2i.4652 用于燃料電池的計算機建模，主要用于測試平臺分析不同燃料電池的性能，并通過提供實世界數據。
燃料電池系統模擬與控制小組組長工程學博士S?nke G?ssling解釋說：“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許多變量來觀察提高性能的關鍵因素。但是，這些僅限于理論水平。因此，測試平臺讓我們可以看到真實世界的參數變化如何影響其性能，然后我們很快意識到每秒的數據捕獲速度無法滿足我們需要的細節水平。”
“我們現在使用了3臺Spectrum數字化儀，這大大提高了我們的數據速率。這使我們能夠以20個同步通道的數據每秒獲得3個 Mega-Samples。這不僅方便我們的分析動態步長的變化還可以”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、輕松地連接到測試平臺環境。這些卡片在行業中處于領先地位，自使用之初就表現出色。”
這些測量使我們能夠了解燃料電池的內部操作，它們還完美地解決了燃料電池中的運行和分配問題，這對于避免局部短缺或在動態運行期間集中優化運行條件至關重要，如果計算機模型能夠通過數據進行驗證，一般會提高模型預測的可靠性。因此，可以通過虛擬方式進行大量的開發和優化過程，這也將顯著降低成本并具有時間優勢。工程學G?ssling說：“通過在現實世界中獲得的結果來驗證預測是科學方法的重要組成部分，它將在我們改進燃料電池設計和顯著降低燃料電池成本的目標中發揮巨大作用。這將是未來。該技術將憑借實惠的價格和強大的競爭力得到普及。” 研發的核心是對燃料電池陰極路徑上的所有組件進行正確的動態映射。基于這些模型的預測控制模型將控制壓縮機、節流閥和燃料電池負載之間的相互作用。這將用于優化燃料電池的整體運行，并在提高效率的同時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態模型，燃料電池的優勢將得到最大程度地發揮。一方面，燃料電池的工作點應盡可能節能；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，從而避免其使用壽命的不必要縮短。
氫燃料電池技術
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生反應。這種反應產生電力，并利用熱量和水蒸氣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高效得多。此外，氫氣可以通過可再生電力的電解生產，因此可以成為無碳能源轉型的一部分。
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子和電子，通過不同的路徑到達陰極，電子通過外部電路產生電流，質子通過電解質遷移到陰極，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，尤其是當使用鉑作為催化劑時，調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催化反應并提高性能。另一個經過優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
該測試平臺能夠研究實際操作條件，隨著時間的推移，這些條件會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變化，以及響應車輛運行的極端溫度和濕度。未來，這些因素將增加燃料電池系統材料的機械穩定性。這很重要，因為燃料電池的應用需要較長的使用壽命。例如，美國能源部為燃料電池系統設定了現實運行條件下的最終目標：輕型車壽命8000小時，重型卡車壽命30000小時，分布式電源系統壽命80000小時。
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