在研究中兼具成本效益和時間優(yōu)勢的計(jì)算機(jī)模型

德國漢斯多爾夫,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、重型卡車和公共汽車等移動應(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,可通過可再生能源制造。然而,這種新興技術(shù)目前來說十分昂貴。位于德國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)建模時使用了Spectrum儀器公司的8通道數(shù)字化儀M2i.4652,主要用于測試平臺分析不同燃料電池的性能,并通過提供現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)來改進(jìn)虛擬電池模型。

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

ZBT主實(shí)驗(yàn)室的兩個燃料電池測試站

“我們現(xiàn)在使用了3個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以Mega-Samples每秒速度且擁有20個同步通道的數(shù)據(jù)。這不僅方便我們分析動態(tài)步驟的變化,還能在一個令人難以置信的層級分析疊加高頻。這些卡片之間完全同步并與測試平臺環(huán)境直觀且簡便的連接。這些卡片堪稱行業(yè)頂尖,自使用之初便表現(xiàn)卓越?！?/p>

這些測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)作以及分布問題。這對于在動態(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)測的可靠性將普遍得以提升。因此,大量的開發(fā)和優(yōu)化過程將可以通過虛擬方式進(jìn)行,這也將顯著地降低成本并具有時間優(yōu)勢。工程學(xué)博士G?ssling表示:“通過在現(xiàn)實(shí)世界獲得的結(jié)果來驗(yàn)證預(yù)測是科學(xué)方法的重要組成部分,這將對我們改進(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。未來這項(xiàng)技術(shù)將憑借實(shí)惠的價格和超強(qiáng)的競爭力得以普及?！?/p>

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態(tài)映射。基于這些模型所建立的預(yù)測控制模型,將控制壓縮機(jī)、節(jié)氣門和燃料電池負(fù)載之間的相互作用。這將用來優(yōu)化燃料電池的整體運(yùn)行,并在提升效率的同時保持同等的使用壽命。

通過基于模型的控制方法,搭配為燃料電池量身定做的動態(tài)模型將使燃料電池的優(yōu)勢發(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。這個反應(yīng)產(chǎn)生電力,并通過熱和水蒸汽為車輛或其他設(shè)備提供動力。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。

氫被輸送到燃料電池的陽極,而空氣則被輸送到陰極。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改善電池的氣體流動可以提升催化反應(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,防止過熱。

耐用性

該測試平臺能夠調(diào)查現(xiàn)實(shí)世界的操作條件,隨著時間的推移這將影響燃料電池的性能。這包括由啟動和停止引起的負(fù)載條件的變化,以及應(yīng)對車輛運(yùn)行的極端溫度和濕度。今后,這些因素會增加燃料電池系統(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)用需要很長的運(yùn)行壽命。例如,美國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):輕型車輛壽命為8000小時,重型卡車壽命為30000小時,分布式電力系統(tǒng)壽命為80000小時。

關(guān)于此項(xiàng)目的詳述可通過該網(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)的客戶服務(wù)享譽(yù)全球。更多信息請?jiān)L問官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com。


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