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在研究中结合成本效益和时间优势的计算机模型
德国汉斯多夫，2021年9月15日——氢燃料电池将在减少碳排放方面发挥重要作用，尤其是在汽车、重型卡车和公共汽车等移动应用中。这种燃料的唯一排放物是富含氢的水蒸气，它可以由可再生能源产生。然而，这种新兴技术目前非常昂贵。ZBT位于德国杜伊斯堡的氢燃料电池中心，正在进行一项关于氢燃料电池设计和改进的研究项目。Spectrum Instruments 的 8 通道数字化仪 M2i.4652 用于燃料电池的计算机建模，主要用于测试平台分析不同燃料电池的性能，并通过提供实世界数据。
燃料电池系统模拟与控制小组组长工程学博士Sönke Gössling解释说：“燃料电池的计算机模型非常复杂，因此我们可以通过调整影响其性能的许多变量来观察提高性能的关键因素。但是，这些仅限于理论水平。因此，测试平台让我们可以看到真实世界的参数变化如何影响其性能，然后我们很快意识到每秒的数据捕获速度无法满足我们需要的细节水平。”
“我们现在使用了3台Spectrum数字化仪，这大大提高了我们的数据速率。这使我们能够以20个同步通道的数据每秒获得3个 Mega-Samples。这不仅方便我们的分析动态步长的变化还可以”分析并叠加在令人难以置信的高频水平上。这些卡片完全同步，并且直观、轻松地连接到测试平台环境。这些卡片在行业中处于领先地位，自使用之初就表现出色。”
这些测量使我们能够了解燃料电池的内部操作，它们还完美地解决了燃料电池中的运行和分配问题，这对于避免局部短缺或在动态运行期间集中优化运行条件至关重要，如果计算机模型能够通过数据进行验证，一般会提高模型预测的可靠性。因此，可以通过虚拟方式进行大量的开发和优化过程，这也将显着降低成本并具有时间优势。工程学Gössling说：“通过在现实世界中获得的结果来验证预测是科学方法的重要组成部分，它将在我们改进燃料电池设计和显着降低燃料电池成本的目标中发挥巨大作用。这将是未来。该技术将凭借实惠的价格和强大的竞争力得到普及。” 研发的核心是对燃料电池阴极路径上的所有组件进行正确的动态映射。基于这些模型的预测控制模型将控制压缩机、节流阀和燃料电池负载之间的相互作用。这将用于优化燃料电池的整体运行，并在提高效率的同时保持相同的使用寿命。
通过基于模型的控制方法，再加上为燃料电池量身定制的动态模型，燃料电池的优势将得到最大程度地发挥。一方面，燃料电池的工作点应尽可能节能；另一方面，燃料电池的运行参数依赖策略可以扩大其工作范围，从而避免其使用寿命的不必要缩短。
氢燃料电池技术
它使用氢气作为燃料，并在催化剂（通常是铂）的帮助下与空气中的氧气发生反应。这种反应产生电力，并利用热量和水蒸气为车辆或其他设备提供动力。在将燃料中的化学能转化为电能方面，燃料电池比基于燃烧的技术高效得多。此外，氢气可以通过可再生电力的电解生产，因此可以成为无碳能源转型的一部分。
氢气被输送到燃料电池的阳极，空气被输送到阴极。阳极上的催化剂将氢原子分离成质子和电子，通过不同的路径到达阴极，电子通过外部电路产生电流，质子通过电解质迁移到阴极，在那里它们与氧和电子结合产生水和热。
燃料电池设计变量
燃料电池的尺寸选择是获得最佳输出的关键，大电池可以提供更多的功率输出，但更大的催化剂表面积也意味着重量和成本的增加，尤其是当使用铂作为催化剂时，调整燃料电池堆中电极之间的间距，改善电池的气体流量，可以在不增加尺寸的情况下增强催化反应并提高性能。另一个经过优化的因素是从电池中去除废水蒸汽，以防止其堵塞催化表面。另一种废热也必须有效地从电池中排出，以防止过热。
耐用性
该测试平台能够研究实际操作条件，随着时间的推移，这些条件会影响燃料电池的性能。这包括由启动和停止引起的负载条件变化，以及响应车辆运行的极端温度和湿度。未来，这些因素将增加燃料电池系统材料的机械稳定性。这很重要，因为燃料电池的应用需要较长的使用寿命。例如，美国能源部为燃料电池系统设定了现实运行条件下的最终目标：轻型车寿命8000小时，重型卡车寿命30000小时，分布式电源系统寿命80000小时。
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