新计算机模型在研究中展现出成本和时间优势

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领域。这种电池唯一的排放物质为水蒸气，同时以存量丰富的、可以通过可再生能源进行制备的氢为燃料。然而，就目前来说，这种新兴技术代价昂贵。位于德国杜伊斯堡的氢燃料电池中心的ZBT股份有限公司正在进行一项有关氢燃料电池设计改进的研究项目。在为燃料电池进行计算机模型时，他们使用SPECTRUM仪器公司的8通道数字化仪M2i.4652来分析测试台上不同燃料电池的性能，并提供现实世界的数据以改进虚拟电池模型。

ZBT主实验室里的两个燃料电池测试站

燃料电池系统模拟与控制小组组长，工程学博士S?nke G?ssling解释道:“燃料电池的计算机模型非常复杂，我们可以通过调整许多影响其性能的变量来观察提升性能的关键因素。不过，这些都只是理论，测试平台可以让我们看到现实世界的参数变化是如何影响其性能的。我们很快就意识到，每秒钟的数据捕捉速度并不能达到我们对细节所需要的水平。”

“我们现在使用了3个SPECTRUM数字化仪，3GS/s的采样速率和20个并行通道让我们的数据捕捉速率显著提高。这不仅使我们能够进行动态步变化分析，而且能对极精细的高频叠加进行分析。这些卡片之间完全同步，并与测试平台直接连接。卡片的性能和质量也堪称行业顶尖，自使用之初便表现卓越。”

这些测量使深入了解燃料电池内部的运作成为可能。也对燃料电池的内部运作及分布问题做了解答。这对于在动态运行中避免局部供应不足或集中优化运行条件而言至关重要。如果计算机模型可以用数据进行验证，那么模型预测的可靠性将普遍提高。因此，越来越多的开发和优化过程得以通过虚拟方式进行，显著降低了主要成本而且极具时间优势。G?ssling 博士说道：“用实际获得的结果来验证预测的做法是科学的，这对我们改进燃料电池设计进而降低燃料电池成本是一个强大的助力，未来这项技术将凭借优越的经济效益和竞争力得以普及。”

研发的核心是沿着燃料电池阴极路径的所有组件做出的正确动态映射。基于此模型建立的预测控制模型，可以控制压缩机、节气门以及燃料电池负载之间的相互作用。这被用于优化燃料电池的整体运行，在提高效率的同时保持使用寿命不变。

通过使用基于模型的控制方法，搭配为燃料电池及其外设量身定做的动态模型，将使燃料电池的优势发挥到极致。一方面，燃料电池的工作点可以尽可能选择节能的；另一方面，制定与燃料电池操作参数相关的策略使其操作范围扩大，从而避免使用寿命缩短。

氢燃料电池技术

以氢气作为燃料，借助催化剂与空气中的氧气发生反应，催化剂通常是铂。反应产生电力和副产品热能及水蒸气，电力可为车辆或其他设备提供动力。在化学能转化为电能方面，燃料电池比基于燃烧的技术效率要高得多。此外，氢可以通过可再生电能的电解制备，因此可以作为无碳排放能源转型的一部分。

氢被输送到燃料电池的阳极，而空气被输送到电池阴极。阳极处的催化剂将氢原子分离成质子和电子，它们通过不同的路径到达阴极。电子通过外部回路，产生电流。质子通过电解液迁移到阴极，并与氧气和电子结合，产生水和热能。

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。大容量的电池因为催化剂表面积大，输出功率也更大，但这增加了电池重量和成本，尤其是以铂为典型的催化剂。通过调整燃料电池堆中电极之间的间距和改善电池内的气体流动，可以提升催化反应效率，从而提高性能而不增加电池尺寸。另一个改进的地方是将废水蒸气排出电池，防止它阻塞催化剂表面。电池产生的另一种热量废物也必须有效地从电池中去除，以防止过热。

耐久性

测试平台可以研究现实世界的运行条件，随着时间的推移这些被研究的因素将会影响燃料电池的性能。因素包括由启动和停止引起的负荷条件的变化，以及应对车辆运行的极端温度和湿度。今后，这些因素将会增强燃料电池系统材料的机械稳定性。这一点很重要，因为燃料电池的应用需要其具有较长的运行寿命。例如，美国能源部为燃料电池系统在现实运行条件下的寿命设定的终极要求：轻型车辆燃料电池寿命为8,000小时，重型卡车燃料电池寿命为30,000小时，分布式电力系统燃料电池寿命为80,000小时。