改進(jìn)氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用

ZBT 用于移動(dòng)應(yīng)用的兩種不同燃料電池

氫燃料電池將在減少碳排放方面發(fā)揮重要作用，特別是在汽車、重型卡車和公共汽車等移動(dòng)應(yīng)用中。唯一的排放物是水蒸氣，燃料是豐富的氫氣，它可以通過可再生能源制造。然而，目前這種新興技術(shù)價(jià)格十分昂貴。位于德國杜伊斯堡的氫燃料電池中心 ZBT GmbH 正在進(jìn)行一項(xiàng)研究項(xiàng)目，以改進(jìn)氫燃料電池的設(shè)計(jì)。在創(chuàng)建了燃料電池的計(jì)算機(jī)模型后，他們使用 虹科的 8 通道數(shù)字化儀M2i.4652在測試臺(tái)上分析不同燃料電池的性能，提供真實(shí)數(shù)據(jù)以改進(jìn)虛擬電池模型。

虹科數(shù)字化儀M2i.4652

燃料電池系統(tǒng)模擬和控制小組負(fù)責(zé)人 S?nke G?ssling 解釋說：“燃料電池的計(jì)算機(jī)模型非常復(fù)雜，我們可以調(diào)整影響其性能的許多變量，看看哪些變化可以提高性能。但是這些都只是理論上的，雖然測試臺(tái)使我們能夠看到現(xiàn)實(shí)世界參數(shù)的變化如何影響性能，但我們也很快意識(shí)到每秒速率的數(shù)據(jù)捕獲并沒有達(dá)到我們所需的精細(xì)度。”

ZBT主實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)燃料電池測試站

“我們現(xiàn)在使用三臺(tái)的虹科數(shù)字化儀，它們將我們的數(shù)據(jù)采集速率顯著提高到每秒 3 兆樣本，并同時(shí)擁有 20 個(gè)數(shù)據(jù)通道。這使我們能夠分析動(dòng)態(tài)階躍變化并以令人驚訝的速度分析疊加的高頻”

這些測量可以深入了解燃料電池內(nèi)部的過程并回答了燃料電池內(nèi)部過程如何分布的問題。例如，這些測量對于避免動(dòng)態(tài)運(yùn)行中的局部供應(yīng)不足和以集中方式優(yōu)化運(yùn)行條件至關(guān)重要。如果可以用數(shù)據(jù)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模型，則模型預(yù)測的可靠性通常會(huì)增加。因此，開發(fā)和優(yōu)化過程可以越來越多地以虛擬方式進(jìn)行，這有望帶來巨大的成本和時(shí)間優(yōu)勢。G?ssling博士說：“用現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)果驗(yàn)證預(yù)測是科學(xué)方法的重要組成部分，將真正幫助我們改進(jìn)燃料電池設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)我們顯著降低燃料電池成本的目標(biāo)。”

測量的關(guān)鍵是沿燃料電池陰極路徑的所有組件的正確動(dòng)態(tài)映射。在這些模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種預(yù)測控制模型，用于控制壓縮機(jī)、節(jié)氣門以及燃料電池負(fù)載之間的相互作用。這用于優(yōu)化燃料電池的整體運(yùn)行，以提高效率，同時(shí)保證相同的使用壽命。

通過使用基于模型的控制方法和定制的燃料電池動(dòng)態(tài)模型，包括外圍設(shè)備，燃料電池的優(yōu)勢得到最佳利用。一方面，燃料電池的工作點(diǎn)可以選擇盡可能的節(jié)能；另一方面，燃料電池的運(yùn)行參數(shù)依賴策略能夠擴(kuò)大其運(yùn)行范圍，從而避免使用壽命縮短。

氫燃料電池技術(shù)

氫燃料電池示意圖

燃料是氫氣，它在催化劑（通常是鉑）的幫助下與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。該反應(yīng)產(chǎn)生電力，利用熱量和水蒸氣的副產(chǎn)品為車輛或其他設(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)效率更高。此外，氫可以通過可再生電力的電解生產(chǎn)，因此可以成為無碳排放能源轉(zhuǎn)型的一部分。

氫氣被送入燃料電池的陽極，而空氣被送入陰極。陽極上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(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，在那里它們與氧氣和電子結(jié)合產(chǎn)生水和熱量。

燃料電池設(shè)計(jì)的變量

關(guān)鍵步驟是選擇正確的燃料電池的尺寸以獲得最佳輸出。由于催化劑表面積較大，因此較大的電池可提供更多的功率輸出，但這同時(shí)也會(huì)增加重量和成本，特別是在鉑作為典型催化劑的情況下。調(diào)整燃料電池堆中電極之間的間距并改善通過電池的氣體流量可以改善催化反應(yīng)，從而提高性能，而不是增加尺寸。另一個(gè)需要優(yōu)化的因素是將廢水蒸氣從電池中排出，以防止它堵塞催化表面，還要注意有效地從電池中去除其他熱量廢物，以防止過熱。

耐用性

測試臺(tái)可以研究真實(shí)世界中燃料電池的運(yùn)行條件，這些條件會(huì)隨著時(shí)間的增加影響燃料電池的性能。其中包括由啟動(dòng)和停止引起的負(fù)載條件變化，以及應(yīng)對車輛運(yùn)行時(shí)的極端溫度和濕度，這些可能會(huì)隨著時(shí)間的推移對燃料電池系統(tǒng)材料的機(jī)械穩(wěn)定性造成壓力。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槿剂想姵貞?yīng)用需要較長的使用壽命。例如，美國能源部已將燃料電池系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行條件下的使用壽命設(shè)定為輕型汽車 8000 小時(shí)、重型卡車 30000 小時(shí)和分布式電力系統(tǒng) 80000 小時(shí)。因此，對燃料電池耐用性的測試是至關(guān)重要的。

虹科測試測量團(tuán)隊(duì)

虹科是在各細(xì)分專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的資源整合及技術(shù)服務(wù)落地供應(yīng)商。在測試測量行業(yè)經(jīng)驗(yàn)超過17年的高科技公司，虹科與世界知名的測量行業(yè)巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供領(lǐng)域內(nèi)頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺(tái)的多種功能模塊，以及自動(dòng)化測試軟件平臺(tái)和測試系統(tǒng)，通用臺(tái)式信號(hào)源設(shè)備，高速數(shù)字化儀，EMC和射頻測試方案等。事業(yè)部目前已經(jīng)提供覆蓋半導(dǎo)體、3C、汽車行業(yè)的超過25個(gè)大型和超大型自研系統(tǒng)項(xiàng)目。我們的解決方案已在汽車電子、半導(dǎo)體、通信、航空航天、軍工等多個(gè)行業(yè)得到驗(yàn)證。此外，我們積極參與半導(dǎo)體、汽車測試等行業(yè)協(xié)會(huì)的工作，為推廣先進(jìn)技術(shù)的普及做出了重要貢獻(xiàn)。至今，虹科已經(jīng)先后為全國用戶提供了100+不同的解決方案和項(xiàng)目，并且獲得了行業(yè)內(nèi)用戶極好口碑。

審核編輯 黃昊宇