Высокоскоростные платы АЦП компании Spectrum Instrumentation позволяют усовершенствовать технологию водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы* будут играть важную роль в сокращении выбросов углерода, особенно на транспорте. Водород является отличным топливом, которое можно производить с использованием возобновляемых источников энергии, а единственным источником выбросов в атмосферу является водяной пар. Однако в настоящее время технология получения водорода стоит дорого.

ZBT GmbH, центр водородных и топливных элементов в Дуйсбурге, Германия, продолжает исследовательский проект по усовершенствованию конструкции водородных топливных элементов, создав компьютерную модель топливного элемента на основе 8-канальных дигитайзеров M2i.4652 компании Spectrum Instrumentation для анализа производительности различных вариантов конструкции топливных элементов**. Получаемые на испытательном стенде данные позволяют улучшить виртуальные модели элемента.

Руководитель группы моделирования и контроля систем топливных элементов доктор инженерии Зёнке Гёсслинг пояснил, что компьютерная модель топливного элемента очень сложна, поэтому важно настроить многие переменные, которые влияют на ее производительность, чтобы увидеть, какие изменения обеспечивают повышение производительности. Испытательный стенд позволяет увидеть, как изменения реальных параметров влияют на производительность.

Опыт показал, что сбор данных с частотой в одну секунду не дает необходимого уровня детализации, поэтому используются три дигитайзера компании Spectrum Instrumentation, которые обеспечивают скорость захвата данных до 3 М опросов/с, а также одновременно 20 каналов данных. Это позволяет анализировать динамические ступенчатые изменения и наложенные высокие частоты.

Г-н Гёсслинг сообщил, что синхронизация плат друг с другом и подключение плат к испытательному стенду были интуитивно понятными и не вызвали каких-либо сложностей, а также отметил производительность и высокое качество устройств Spectrum.

Измерения позволяют получить представление о процессах внутри топливного элемента. Они отвечают на вопрос, как процессы происходят внутри топливного элемента и с какой динамикой. Это имеет решающее значение, например, для того, чтобы избежать локальной недостаточной подачи энергии при динамической работе и целенаправленно оптимизировать рабочие условия. Если компьютерная модель может быть подтверждена данными, то вероятность прогнозов модели повышается в целом. В результате процессы разработки и оптимизации могут во все большей степени выполняться виртуально, что сулит значительную экономию средств и времени.

В основе разработок лежит правильное динамическое отображение всех компонентов на катоде топливного элемента. На основе данных, получаемых на стенде, была разработана прогнозирующая модель управления, которая контролирует взаимодействие компрессора, дросселей, а также нагрузку на топливный элемент. Это используется для оптимизации работы топливного элемента и повышения его эффективности при сохранении того же срока службы***.

*Технология водородных топливных элементов

Топливом является газообразный водород, который реагирует с кислородом воздуха с помощью катализатора. Эта реакция производит электричество для питания автомобиля или других устройств с побочными продуктами тепла и водяного пара. Топливные элементы, преобразующие химическую энергию топлива в электрическую, намного более эффективны, чем технологии, основанные на сжигании. Кроме того, водород может производиться путем электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии и, таким образом, может быть частью перехода к энергии без выбросов углерода.

Водород подается на анод топливного элемента, а воздух - на катод. Катализатор на аноде разделяет атомы водорода на протоны и электроны, которые идут к катоду разными путями. Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток. Протоны мигрируют через электролит к катоду, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду и тепло.

**Варианты конструкции топливных элементов

Лучшее решение – это выбрать размер топливного элемента с оптимальной производительностью. Ячейки большего размера обеспечивают большую выходную мощность, поскольку имеют большую площадь поверхности катализатора, но это увеличивает вес и стоимость, особенно с платиной в качестве типичного катализатора. Регулировка расстояния между электродами в батарее топливных элементов и улучшение потоков газа через элемент может улучшить каталитическую реакцию и, следовательно, производительность вместо увеличения размера. Еще один оптимизируемый фактор - это отвод отработанного водяного пара для предотвращения забивания каталитических поверхностей. Другой побочный продукт тепла также должен быть эффективно удален из ячейки, чтобы предотвратить перегрев.

***Долговечность

Испытательный стенд позволяет исследовать реальные условия эксплуатации, которые со временем повлияют на характеристики топливных элементов. К ним относятся изменение условий нагрузки, вызванное запуском и остановкой, преодоление экстремальных температур и влажности, в которых работают автомобили. Эти факторы со временем могут сказаться на механической стабильности материалов системы топливных элементов. Это важно, поскольку топливные элементы требуют длительного срока службы. Например, министерство энергетики США установило конечные цели по сроку службы топливных элементов в реальных условиях эксплуатации: 8 000 ч для легковых автомобилей, 30 000 ч для тяжелых грузовиков и 80 000 ч для систем распределенного энергоснабжения.