改進氫燃料電池技術的應用

ZBT 用于移動應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應用中。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，目前這種新興技術價格十分昂貴。位于德國杜伊斯堡的氫燃料電池中心 ZBT GmbH 正在進行一項研究項目，以改進氫燃料電池的設計。在創(chuàng)建了燃料電池的計算機模型后，他們使用 虹科的 8 通道數(shù)字化儀M2i.4652在測試臺上分析不同燃料電池的性能，提供真實數(shù)據(jù)以改進虛擬電池模型。

虹科數(shù)字化儀M2i.4652

燃料電池系統(tǒng)模擬和控制小組負責人 S?nke G?ssling 解釋說：“燃料電池的計算機模型非常復雜，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，雖然測試臺使我們能夠看到現(xiàn)實世界參數(shù)的變化如何影響性能，但我們也很快意識到每秒速率的數(shù)據(jù)捕獲并沒有達到我們所需的精細度。”

ZBT主實驗室的兩個燃料電池測試站

“我們現(xiàn)在使用三臺的虹科數(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，并同時擁有 20 個數(shù)據(jù)通道。這使我們能夠分析動態(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態(tài)運行中的局部供應不足和以集中方式優(yōu)化運行條件至關重要。如果可以用數(shù)據(jù)驗證計算機模型，則模型預測的可靠性通常會增加。因此，開發(fā)和優(yōu)化過程可以越來越多地以虛擬方式進行，這有望帶來巨大的成本和時間優(yōu)勢。G?ssling博士說：“用現(xiàn)實世界的結果驗證預測是科學方法的重要組成部分，將真正幫助我們改進燃料電池設計，以實現(xiàn)我們顯著降低燃料電池成本的目標?！?/p>

測量的關鍵是沿燃料電池陰極路徑的所有組件的正確動態(tài)映射。在這些模型的基礎上，開發(fā)了一種預測控制模型，用于控制壓縮機、節(jié)氣門以及燃料電池負載之間的相互作用。這用于優(yōu)化燃料電池的整體運行，以提高效率，同時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態(tài)模型，包括外圍設備，燃料電池的優(yōu)勢得到最佳利用。一方面，燃料電池的工作點可以選擇盡可能的節(jié)能；另一方面，燃料電池的運行參數(shù)依賴策略能夠擴大其運行范圍，從而避免使用壽命縮短。

氫燃料電池技術

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。該反應產(chǎn)生電力，利用熱量和水蒸氣的副產(chǎn)品為車輛或其他設備提供動力。在將燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為電能方面，燃料電池比基于燃燒的技術效率更高。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合產(chǎn)生水和熱量。

燃料電池設計的變量

關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，但這同時也會增加重量和成本，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，從而提高性能，而不是增加尺寸。另一個需要優(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

測試臺可以研究真實世界中燃料電池的運行條件，這些條件會隨著時間的增加影響燃料電池的性能。其中包括由啟動和停止引起的負載條件變化，以及應對車輛運行時的極端溫度和濕度，這些可能會隨著時間的推移對燃料電池系統(tǒng)材料的機械穩(wěn)定性造成壓力。這一點很重要，因為燃料電池應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)在實際運行條件下的使用壽命設定為輕型汽車 8000 小時、重型卡車 30000 小時和分布式電力系統(tǒng) 80000 小時。因此，對燃料電池耐用性的測試是至關重要的。

虹科測試測量團隊

虹科是在各細分專業(yè)技術領域內(nèi)的資源整合及技術服務落地供應商。在測試測量行業(yè)經(jīng)驗超過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，提供領域內(nèi)頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺的多種功能模塊，以及自動化測試軟件平臺和測試系統(tǒng)，通用臺式信號源設備，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)提供覆蓋半導體、3C、汽車行業(yè)的超過25個大型和超大型自研系統(tǒng)項目。我們的解決方案已在汽車電子、半導體、通信、航空航天、軍工等多個行業(yè)得到驗證。此外，我們積極參與半導體、汽車測試等行業(yè)協(xié)會的工作，為推廣先進技術的普及做出了重要貢獻。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目，并且獲得了行業(yè)內(nèi)用戶極好口碑。

審核編輯 黃昊宇