市場對氫能的渴求，正以前所未有的勢頭席卷全球，它不僅是脫碳偉業(yè)的支柱，更是能源格局轉型的關鍵樞紐。氫，作為能量儲存與輸送的理想載體，蘊藏著無限可能——它既能驅動未來交通，化身為清潔的汽車燃料；也能融入城市脈絡，成為取代天然氣的供暖新選擇。借助電解技術，綠電的涓滴之力皆可化為純凈的氫能。然而，要讓這一愿景在經(jīng)濟上落地生根，綠色氫能必須掙脫成本的束縛，并突破儲存密度的瓶頸。

 

在本文中，我們將深入探討預測性建模仿真一體化（MODSIM）這一前沿范式，如何為新一代氫能技術——從高效電解槽到尖端儲氫罐——的研發(fā)注入澎湃動力。MODSIM通過構建纖毫畢現(xiàn)的虛擬孿生，讓氫能技術的研發(fā)得以掙脫物理樣機的桎梏，加速前行。在這里，每一個創(chuàng)新的理念都能得到盡情檢驗，每一個潛在的隱患都能在萌芽狀態(tài)被洞悉，而這一切都無需承擔建造與測試實體原型的巨大時間與經(jīng)濟成本。設計與材料的優(yōu)化亦可自動完成，如臂使指。將MODSIM的基因融入設計血脈，無疑將大幅削減研發(fā)開支，讓創(chuàng)新成果更快地走向市場。

何為綠色氫能？

氫，常被譽為綠色能源的明日之星，但其環(huán)保成色，實則取決于其誕生之旅。人們常用色彩為氫的生產(chǎn)路徑賦予標簽。例如，藍氫與灰氫，皆脫胎于天然氣的蒸汽甲烷重整；而黑氫或褐氫，則源自于煤的轉化。當前，這些伴隨著碳排放的傳統(tǒng)工藝仍是制氫的主流。

 

綠色氫能，則專指那些以零碳與可再生能源為基石孕育而成的氫。其光譜有時亦會延伸，囊括了由核能催生的粉氫，以及由太陽能或混合電網(wǎng)電力點化的黃氫。這些清潔氫能的共同搖籃，便是電解技術。

 

電解，是一個由電能主導的精妙化學過程。當電勢施加于特定物質，其分子鏈應聲斷裂，在兩極催生出新的產(chǎn)物。在制氫的舞臺上，主角是水。電壓之下，H?O分子得到分解，氫氣在陽極匯聚，氧氣則在陰極升騰。

 

電解過程極為清潔，若所耗電能來自綠色電力，則整個流程幾乎毫無污染。而當這些氫氣再次燃燒或回歸電能，氫與氧重歸于水，形成完美的清潔能源閉環(huán)。

 

作為燃料，氫的應用前景廣闊無垠。它能在燃料電池中為車輛提供源源不斷的動力；也能融入天然氣管網(wǎng)，為城市供暖抹去碳排放的印跡。在工業(yè)領域，氫同樣大有可為，更有潛力成為風光電能的儲存庫，將那些因供大于求而產(chǎn)生的冗余電力，妥善儲藏。

 

為實現(xiàn)氫經(jīng)濟的藍圖由虛入實，從生產(chǎn)、運輸、儲存到最終消費的每一個環(huán)節(jié)，都亟待效率的飛躍，綠色氫能必須取代其污染更重的“同類”。而仿真，正是氫能工程師手中的有力工具，助力他們開發(fā)新技術、優(yōu)化全生態(tài)，從生產(chǎn)到消費全面覆蓋。

何為MODSIM？

傳統(tǒng)上，建模與仿真被視為兩個涇渭分明的學科，分屬于各自為戰(zhàn)的孤立團隊。分析只能在設計塵埃落定后才登場，但此時，設計決策的影響早已深植其中。糾正那些在分析或測試中浮現(xiàn)的問題，往往意味著巨大的時間與金錢代價。將建模與仿真（MODSIM）深度融合，使其貫穿開發(fā)的整個生命周期，無疑是加速設計、規(guī)避風險的睿智之舉。

 

測試左移——即將分析的關口前移至設計周期的更早階段——通過仿真，讓設計師能夠洞見其每一次變更對最終產(chǎn)品的影響，從而在紛繁的設計參數(shù)間，做出最明智的權衡。他們甚至在概念萌發(fā)的瞬間，就能汲取仿真的智慧，優(yōu)化構想，探索萬千可能，而無需過早地將未來開發(fā)方向與某一特定的選擇綁定。

 

MODSIM打破了團隊間的壁壘，為所有參與者提供了統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。在這里，需求、設計幾何結構、仿真結果與測試數(shù)據(jù)無縫交織，共同構筑了真實系統(tǒng)的“虛擬孿生”，其間每一絲聯(lián)系皆清晰可溯。

 

MODSIM還是一場仿真民主化的革命。為常見的氫工程流程量身定制的工序流程與模板，使設計師得以獨立、自主地運用仿真，隨時隨地，隨心所欲。這大大降低了專業(yè)門檻，讓更多人能更快地上手仿真。我們已在達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺上，為您準備了多款用于設計氫系統(tǒng)的MODSIM工作流程。

電解槽

01電解槽的性能與效率

A PEM一臺PEM電解槽，展示了質子交換膜（PEM）電堆和單個雙極板

 

 

質子交換膜（PEM）技術，無疑是通往高效電解之路上一條充滿希望的蹊徑。相較于其它技術路線，PEM能在整個水體中實現(xiàn)極高的電流密度，同時有效抑制那些吞噬效率的氣泡的生成。

 

溫度分布不均是效率的天敵，亦是系統(tǒng)疲勞的誘因。PEM工程師必須圍繞最佳的工作溫度與壓力進行精心的設計。而優(yōu)化雙極板本身，就是一個涉及電化學、結構、流體與熱工等多重物理場交織的復雜命題。

 

在MODSIM的工作流程中，雙極板的仿真模型可以從完整的電堆模型中剝離。只需輕點鼠標，冷卻通道的網(wǎng)格便可瞬時生成，冷卻劑的物性與流動設定亦可輕松定義。隨后，共軛傳熱求解器將展開深度仿真，精準計算冷卻系統(tǒng)的性能。一旦發(fā)現(xiàn)任何瑕疵，自動化的參數(shù)設計研究便會啟動，探索更為優(yōu)越的設計方案。最終，經(jīng)過妥善優(yōu)化的幾何結構將被傳回主系統(tǒng)。

 

整套工作流程由3DEXPERIENCE平臺提供。來自CATIA的設計應用與來自SIMULIA的仿真及參數(shù)化設計研究應用，集成為一套連續(xù)的流程。設計師在一個統(tǒng)一的平臺上，便能洞悉仿真結果，獲取優(yōu)化后的幾何機構，從而更快、更穩(wěn)健地打造出高效的電解槽系統(tǒng)。

 

02電解槽的制造

雙極板占據(jù)了PEM電解槽系統(tǒng)成本的45%，要讓這項技術真正走向市場，大幅削減其成本勢在必行。在設計流程中引入仿真，如同提供一位智慧的導師，指引工程師在材料選擇、制造工藝等關鍵決策上，邁出正確的一步。

 

3DEXPERIENCE平臺上的MODSIM，在概念設計與最終制造設計之間，架起了一座參數(shù)化模型集成的橋梁。仿真能揭示制造變差（如厚度精度）的深遠影響，而“假設”研究則能對不同的制造方案進行深入的比較。

 

結構仿真能夠對帶肋雙極板的沖壓成型過程進行細致的建模。這通常是一個多步驟流程：首先，沖頭將板坯推入模具；而后，在漸進的沖壓中，板料被拉伸至最終的形態(tài)。設計空間的參數(shù)化探索，可支持對幾何形狀和制造公差進行優(yōu)化，以尋得最佳的折彎半徑，實現(xiàn)最理想的厚度減薄效果。

儲氫罐

纖維纏繞儲氫罐

 

在常溫常壓下，氫的能量密度略顯孱弱。因此，若要與化石燃料和電池一較高下，它必須被壓縮在極高的壓力之下。在車輛上，儲氫罐需承載高達70兆帕（700巴）的壓力，方能保障車輛具有足夠的續(xù)航里程，同時自身還需保持輕盈的體態(tài)。這便催生了纖維纏繞復合材料的面世。3DEXPERIENCE平臺上的Abaqus求解器技術，憑借其深厚的非線性力學能力，能夠精準預測這些復雜材料的結構行為。

 

儲氫罐必須在跌落或碰撞等意外事故中，保持其堅不可摧的完整性。罐體設計必須遵循DIN EN 12245和ISO 11119-3等國際標準的嚴苛規(guī)定。傳統(tǒng)上，滿足這些標準所需的物理測試漫長而繁瑣，不僅拖慢了產(chǎn)品開發(fā)進程，也讓優(yōu)化設計成為遙不可及的夢想。而仿真，則通過虛擬地重現(xiàn)跌落測試等物理實驗，為這一過程注入了前所未有的速度與效率。

 

SIMULIA與CATIA的開發(fā)團隊，正致力于為Abaqus打造一款能夠生成精細纖維纏繞復合材料仿真模型的插件。對儲氫罐的結構仿真，能揭示其材料的應力、應變與位移，將潛在的失效點暴露無遺。仿真還能淋漓盡致地展現(xiàn)改變材料屬性（如纏繞角度）所帶來的影響，幫助工程師在萬千變化中，尋得最符合其需求的最佳設計。無論是靜態(tài)承壓，還是動態(tài)沖擊——例如儲氫罐的跌落——皆可在虛擬世界中得到精準的分析。

 

02儲氫罐的充裝

 

物理定律昭示，隨著氫氣罐的充裝和壓力的攀升，其內部溫度會急劇升高。而極端的高溫或低溫，都會無情地侵蝕材料的機械性能，對安全構成潛在威脅。

 

計算流體動力學（CFD）仿真，能夠對充裝過程進行精密的建模，并計算出溫度的分布。真實氣體模型則能準確捕捉儲氫罐內劇烈的高壓與溫度變化。不同材料的影響、外部天氣條件的變幻，都可以在仿真中得到細致的分析。相較于物理測試，仿真能以更快的速度、更低的成本，為多種設計方案提供深刻的洞察。

分析整體系統(tǒng)

盡管本篇博文重點關注SIMULIA物理仿真工具的強大能力，但氫能生產(chǎn)的其它維度，亦可通過不同的方法進行深度的探索。我們可以潛入納米尺度，借助達索系統(tǒng)BIOVIA品牌的技術，在分子層面審視管道，洞悉焊接過程與微觀結構的形成——那些氫可能悄然潛入、削弱金屬的幽微路徑。我們亦可躍升至宏觀視角，利用CATIA品牌的Dymola系統(tǒng)仿真工具，對整座制氫廠的流程進行全面的仿真。

 

所有這些強大的工具，都匯聚在達索系統(tǒng)的產(chǎn)品矩陣之中，并通過3DEXPERIENCE平臺緊密貫通。它為所有用戶提供了一個協(xié)作與數(shù)據(jù)共享的宏大舞臺，并在統(tǒng)一的工作流程中，將不同的產(chǎn)品無縫串聯(lián)。欲了解關于可持續(xù)氫能的完整解決方案，敬請參閱我們關于氫能生態(tài)系統(tǒng)預測性建模和仿真的白皮書。

結語

作為人類社會脫碳宏圖的一部分，對綠色氫能的需求正與日俱增。要使其在成本效益上足以與傳統(tǒng)能源方案相抗衡，氫的生產(chǎn)與儲存效率必須實現(xiàn)質的飛躍。仿真，賦予了工程師在開發(fā)階段就能洞察電解槽與儲氫罐等設備性能的慧眼。達索系統(tǒng)的一體化建模與仿真（MODSIM）解決方案，將設計與分析工具融匯貫通，使我們的用戶得以在開發(fā)流程啟動之初，便能識別風險、優(yōu)化性能，進而將新產(chǎn)品以更快的進度投放市場。