Avtor slike: Akitada31
Datum objave: 10.11.2021
Kategorija: Interdisciplinarne raziskave, Naš prispevek k ciljem trajnostnega razvoja OZN
Cilji trajnostnega razvoja: 7 Cenovno dostopna in čista energija, 9 Industrija, inovacije in infrastruktura, 11 Trajnostna mesta in skupnosti, 12 Odgovorna poraba in proizvodnja, 13 Podnebni ukrepi, 17 Partnerstva za doseganje ciljev (kazalniki)
Vodikove gorivne celice s protonsko izmenjalno membrano predstavljajo eno izmed ključnih tehnologij vodikove ekonomije in defosilizacije težkega transporta na daljše razdalje. Zato imajo pomemben doprinos pri doseganju podnebne nevtralnosti in nestrupenega okolja, ki sta pomembna cilja evropskega zelenega dogovora. Tovrstne gorivne celice omogočajo direktno pretvorbo kemične energije, sproščene pri reakciji med vodikom in kisikom, v električno energijo, pri čemer je edini stranski produkt voda. Za zadostno hitrost in učinkovitost opisane reakcije je ključen katalizator, ki omogoča disociacijo molekule vodika na dva elektrona in dva protona ter nato tvorbo vode iz kisika, protonov in elektronov pri čim manjšem padcu napetosti gorivne celice. Kot katalizator se običajno uporabljajo platinasti nanodelci, nanešenih na površino poroznega ogljika, ki zaradi visoke cene platine bistveno vplivajo na ceno gorivne celice in njen okoljski odtis.
Trenutno je eden izmed ključnih raziskovalnih izzivov, kako znižati ceno gorivnih celic ob hkratni optimizaciji njihovih zmogljivosti in zagotavljanju pričakovane življenjske dobe v predvidenih delovnih pogojih. Doseganje teh ciljev je zaradi kompleksne interakcije kemijskih in fizikalnih degradacijskih mehanizmov, ki se odvijajo v gorivnih celicah, možno zgolj s poglobitvijo njihovega razumevanja, k čemur lahko bistveno pripomorejo matematično-fizikalni modeli omenjenih procesov. Raziskovalci iz Laboratorija za motorje z notranjim zgorevanjem in elektromobilnost (LICeM) na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani so se tega izziva lotili sistematično in razvijajo modelski okvir za sklopljeno modeliranje delovanja in degradacije gorivnih celic, ki omogoča modeliranje vzročno-posledične verige vplivov pogojev delovanja gorivne celice na degradacijske procese in tudi povratnih vplivov degradacijskih procesov na delovanje gorivne celice.
V nedavno objavljenem članku, ki so ga v sodelovanju z raziskovalci z Odseka za kemijo materialov na Kemijskem inštitutu objavili v ugledni reviji Journal of Power Sources, so predstavili in eksperimentalno potrdili inovativni matematično-fizikalni model za analizo in napovedovanje staranja platinastih katalizatorjev v gorivnih celicah. Model opiše staranje katalizatorja kot kombinacijo rasti platinastih nanodelcev zaradi raztapljanja in odlaganja platine ter aglomeracije nanodelcev kot posledice korozije njihove podlage. Kot prvi tovrstni model v opis degradacijskih mehanizmov vključi vpliv temperature, kar bistveno razširi njegovo napovedno zmogljivost in omogoči njegovo uporabo v širokem spektru delovnih pogojev gorivne celice. Predstavljeni model tako omogoča boljše razumevanje povezave med delovnimi pogoji gorivne celice in degradacijskimi mehanizmi, kar je ključno za razvoj obstojnejših katalizatorjev in ustreznejših protokolov za uporabo gorivih celic, ki omogočajo podaljšanje njihove življenjske dobe.
Shematski prikaz modeliranih elektrokemijskih mehanizmov (a), ki prek raztapljanja (b) in aglomeracije (c) platinastih nanodelcev vodi v zmanjšanje površine katalizatorja (d). Vir slike
Predstavljeni model predstavlja ključno nadgraditev modelskega okvirja za sklopljeno modeliranje delovanja in degradacije gorivnih celic, kjer je sklopljen z modelom za simulacijo degradacije membrane. Slednji model je bil razvit v mednarodnem projektu SoH4PEM - State-of-health observers for PEM fuel cells, financiranim s strani avstrijske agencije FFG (Austrian Research Promotion Agency). Prebojnost in relevantnost izvedenih raziskav na področju modeliranja procesov v gorivnih celicah ter učinkovitost prenosa temeljnega znanja v napredne tehnološke rešitve potrjuje tudi dejstvo, da je razviti modelski okvir vključen v komercialno simulacijsko platformo enega izmed vodilnih svetovnih podjetij in se že uporablja za razvoj gorivnih celic v razvojnih oddelkih vodilnih proizvajalcev vozil. Prav te reference so omogočile, da je LICeM vodilni partner za modeliranje gorivnih celic v nedavno pričetem evropskem projektu MoreLife - Material, Operating strategy and REliability optimisation for LIFEtime improvements in heavy duty trucks financiranim s strani Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU).
Shematski prikaz sklopitve med modelom delovanja in modelom staranja katalizatorja v vodikovi gorivni celici. Vir slike