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(chē)、重型卡車(chē)和公共汽車(chē)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(guò)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(guó)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(cè)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(shuō)：“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(cè)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(méi)有達(dá)到我們所需的精細(xì)度?！?/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(cè)量可以深入了解燃料電池內(nèi)部的過(guò)程并回答了燃料電池內(nèi)部過(guò)程如何分布的問(wèn)題。例如，這些測(cè)量對(duì)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(cè)的可靠性通常會(huì)增加。因此，開(kāi)發(fā)和優(yōu)化過(guò)程可以越來(lái)越多地以虛擬方式進(jìn)行，這有望帶來(lái)巨大的成本和時(shí)間優(yōu)勢(shì)。G?ssling博士說(shuō)：“用現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)果驗(yàn)證預(yù)測(cè)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(cè)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(kāi)發(fā)了一種預(yù)測(cè)控制模型，用于控制壓縮機(jī)、節(jié)氣門(mén)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(guò)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(shì)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(lài)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(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)效率更高。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。

氫氣被送入燃料電池的陽(yáng)極，而空氣被送入陰極。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(guò)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(guò)熱。

耐用性

測(cè)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(duì)車(chē)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(duì)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(zhǎng)的使用壽命。例如，美國(guó)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(chē) 8000 小時(shí)、重型卡車(chē) 30000 小時(shí)和分布式電力系統(tǒng) 80000 小時(shí)。因此，對(duì)燃料電池耐用性的測(cè)試是至關(guān)重要的。

虹科測(cè)試測(cè)量團(tuán)隊(duì)

虹科是在各細(xì)分專(zhuān)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(cè)試測(cè)量行業(yè)經(jīng)驗(yàn)超過(guò)17年的高科技公司，虹科與世界知名的測(cè)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(cè)試軟件平臺(tái)和測(cè)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(cè)試方案等。事業(yè)部目前已經(jīng)提供覆蓋半導(dǎo)體、3C、汽車(chē)行業(yè)的超過(guò)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(chē)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(chē)測(cè)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(guó)用戶(hù)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(hù)極好口碑。

審核編輯 黃昊宇