在研究中兼具成本效益和時(shí)間優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)模型

德國(guó)漢斯多爾夫,2021年9月15日訊——?dú)淙剂想姵貙⒃跍p少碳排放方面發(fā)揮重要作用,尤其是在汽車(chē)、重型卡車(chē)和公共汽車(chē)等移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。這種燃料唯一排放的便是氫含量豐富的水蒸氣,可通過(guò)可再生能源制造。然而,這種新興技術(shù)目前來(lái)說(shuō)十分昂貴。位于德國(guó)杜伊斯堡的氫燃料電池中心的ZBT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。燃料電池進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模時(shí)使用了Spectrum儀器公司的8通道數(shù)字化儀M2i.4652,主要用于測(cè)試平臺(tái)分析不同燃料電池的性能,并通過(guò)提供現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)虛擬電池模型。

ZBT為移動(dòng)應(yīng)用提供了兩款不同的燃料電池

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,因此我們可以通過(guò)調(diào)整影響其性能的很多變量來(lái)觀察提升性能的關(guān)鍵因素。然而,這些僅限于理論層面。因此,測(cè)試平臺(tái)能夠使我們看到現(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)變化是如何影響其性能的。隨后我們很快意識(shí)到,每秒的數(shù)據(jù)捕捉速度并不能滿(mǎn)足我們所需的細(xì)節(jié)水平?！?/p>

ZBT主實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)燃料電池測(cè)試站

“我們現(xiàn)在使用了3個(gè)Spectrum數(shù)字化儀,這也極大地提高了我們的數(shù)據(jù)速率。這使我們獲取到三個(gè)以Mega-Samples每秒速度且擁有20個(gè)同步通道的數(shù)據(jù)。這不僅方便我們分析動(dòng)態(tài)步驟的變化,還能在一個(gè)令人難以置信的層級(jí)分析疊加高頻。這些卡片之間完全同步并與測(cè)試平臺(tái)環(huán)境直觀且簡(jiǎn)便的連接。這些卡片堪稱(chēng)行業(yè)頂尖,自使用之初便表現(xiàn)卓越?！?/p>

這些測(cè)量方便我們了解燃料電池內(nèi)部的運(yùn)作。它們也完美地解答了燃料電池內(nèi)的運(yùn)作以及分布問(wèn)題。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)模型能被數(shù)據(jù)驗(yàn)證,模型預(yù)測(cè)的可靠性將普遍得以提升。因此,大量的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化過(guò)程將可以通過(guò)虛擬方式進(jìn)行,這也將顯著地降低成本并具有時(shí)間優(yōu)勢(shì)。工程學(xué)博士G?ssling表示:“通過(guò)在現(xiàn)實(shí)世界獲得的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證預(yù)測(cè)是科學(xué)方法的重要組成部分,這將對(duì)我們改進(jìn)燃料電池設(shè)計(jì)進(jìn)而顯著降低燃料電池成本的目標(biāo)起到巨大的作用。未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將憑借實(shí)惠的價(jià)格和超強(qiáng)的競(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正確的動(dòng)態(tài)映射?；谶@些模型所建立的預(yù)測(cè)控制模型,將控制壓縮機(jī)、節(jié)氣門(mén)和燃料電池負(fù)載之間的相互作用。這將用來(lái)優(yōu)化燃料電池的整體運(yùn)行,并在提升效率的同時(shí)保持同等的使用壽命。

通過(guò)基于模型的控制方法,搭配為燃料電池量身定做的動(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,燃料電池的運(yùn)作點(diǎn)要盡可能節(jié)能;另一方面,燃料電池的運(yùn)行-參數(shù)-依賴(lài)策略可以擴(kuò)大其工作范圍,從而避免不必要的使用壽命縮短。

氫燃料電池的解析

氫燃料電池技術(shù)

它是以氫氣作為燃料,在催化劑的幫助下與空氣中的氧氣反應(yīng),通常是鉑。這個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生電力,并通過(guò)熱和水蒸汽為車(chē)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)效率高得多。此外,氫可以通過(guò)可再生電力的電解生產(chǎn),因此可以成為無(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,而空氣則被輸送到陰極。陽(yáng)極上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)外部電路產(chǎn)生電流。質(zhì)子通過(guò)電解液遷移到陰極,在那里它們與氧和電子結(jié)合產(chǎn)生水和熱。

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。大電池能夠提供更多的功率輸出,然而更大的催化劑表面積也意味著重量和成本的增加,特別是采用鉑作為催化劑。調(diào)節(jié)燃料電池堆中電極之間的間距和通過(guò)改善電池的氣體流動(dòng)可以提升催化反應(yīng),可以在不增加尺寸的前提下改善性能。另一個(gè)被優(yōu)化的因素是將廢水蒸汽移出電池,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清除,防止過(guò)熱。

耐用性

該測(cè)試平臺(tái)能夠調(diào)查現(xiàn)實(shí)世界的操作條件,隨著時(shí)間的推移這將影響燃料電池的性能。這包括由啟動(dòng)和停止引起的負(fù)載條件的變化,以及應(yīng)對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的極端溫度和濕度。今后,這些因素會(huì)增加燃料電池系統(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)用需要很長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。例如,美國(guó)能源部為燃料電池系統(tǒng)設(shè)定了在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行條件下的最終目標(biāo):輕型車(chē)輛壽命為8000小時(shí),重型卡車(chē)壽命為30000小時(shí),分布式電力系統(tǒng)壽命為80000小時(shí)。

關(guān)于此項(xiàng)目的詳述可通過(guò)該網(wǎng)址查看www.zbt.de/en/news/rd-highlights/science-and-projects/detail/News/dynacell-dynamic-modelling-and-model-based-control-of-pem-fuel-cell-systems/

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年,迄今為止設(shè)計(jì)和研發(fā)了多款模塊化數(shù)字化儀及發(fā)生器產(chǎn)品,其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及獨(dú)立以太網(wǎng)設(shè)備(LXI)。在過(guò)去30年間,Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可,旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及一流大學(xué)的眾多產(chǎn)品和科研項(xiàng)目中。Spectrum儀器總部位于德國(guó)漢堡附近的漢斯多爾夫,憑借卓越的技術(shù)能力和優(yōu)質(zhì)的客戶(hù)服務(wù)享譽(yù)全球。更多信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com。


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