Avtor slike: Michael Fousert
Datum objave: 15.09.2022
Kategorija: Naš prispevek k ciljem trajnostnega razvoja OZN
Cilji trajnostnega razvoja: 7 Cenovno dostopna in čista energija, 9 Industrija, inovacije in infrastruktura, 13 Podnebni ukrepi (kazalniki)
Vodikove gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano so naprave, ki omogočajo neposredno pretvorbo kemične energije, sproščene pri reakciji med vodikom in kisikom, v električno energijo, pri čemer je edini stranski produkt voda. Zaradi netoksičnosti izpustov so ena izmed ključnih tehnologij za doseganje ciljev evropskega zelenega dogovora, še posebno v aplikacijah, kjer je potrebna dolga avtonomija ali premikanje velikih mas. Poleg tega pa predstavljajo tudi integralni člen uravnavanja porabe in proizvodnje v električnih omrežij prihodnosti.
Zagotavljanje ustrezne hidriranosti nizko-temperaturne gorivne celice s protonsko izmenjalno membrano predstavlja znanstveni in tehnični izziv, predvsem zaradi nizkih obratovalnih temperatur (op.a. 60-80°C), saj je tako voda prisotna v tako plinasti kot kapljevinasti fazi. V slednji zapolnjuje prostor namenjen transportu plinov in tako omejuje plinski transport, kar vodi v zmanjšanje zmogljivosti gorivne celice poleg tega pa koncentracija vode vpliva tudi na kavzalno verigo degradacijskih pojavov. Zaradi zapletenih vzročno-posledičnih interakcij med fizikalnimi pojavi je za nizko-temperaturne gorivne celice s protonsko izmenjalno membrano značilen zelo nelinearen odziv. Optimizacija delovanja v smislu zmogljivosti in dolgoživosti je zato izjemno zahtevna. Napredek pri natančnem spremljanju in nadzorovanju takih sistemov v realnem času predstavljajo sklopljena virtualna tipala, ki upoštevajo tudi dinamiko kapljevinaste in plinaste vode, saj ta lahko povzroči poplavljenje nizko-temperaturne gorivne celice s protonsko izmenjalno membrano in posledično padec zmogljivosti. Modeliranje slednjega je še posebej zahtevno zaradi različnih stopenj zadrževanja in odstranjevanja kapljevinaste in plinaste vode glede na pogoje delovanja, kar predstavlja dolgoletno vrzel v znanju na sistemski ravni modeliranja, kjer je potrebno izračune vršiti mnogo hitrje kot v realnem času pri visoki frekvenci izmenjave podatkov.
Za zapolnitev te vrzeli smo raziskovalci Laboratorija za motorje z notranjim zgorevanjem in elektromobilnost (LICeM), Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani v sodelovanju s Fakulteto za elektrotehniko, strojništvo in ladjedelništvo v Splitu (FESB) Univerze v Splitu razvili in potrdil tranzientni model dinamike kapljevinaste in plinaste vode v nizko-temperaturni gorivni celici s protonsko izmenjalno membrano, ki omogoča računanje hitreje kot v realnem času in se lahko uporablja v zgoraj omenjenih naprednih kontrolnih metodologijah in aplikacijah, kot so sklopljena virtualna tipala, simulacija strojne opreme v zanki ter digitalni dvojčki. Razviti modelirni pristop temelji na sistemskem fizikalno motiviranem modelu PEMFC z dimenzionalnostjo 1D+1D (predstavljen na spodnji sliki), ki vključuje dvofazni model za popis dinamike kapljevinaste in plinaste vode na ravni sistema v vseh sedmih najvplivnejših domenah PEMFC, in sicer v membrani, v kanalu, v plasti za difuzijo plinov in v katalizatorskem sloju tako na anodni kot katodni strani. Obenem pa model omogoča računanje v realnem času z razmerjem med računskim in fizikalnim časom 0,0449 pri časovnem koraku dolžine 1 ms oz. frekvenci izmenjave podatkov 1 kHz.
Model je pomembna nadgradnja predhodno objavljenega termodinamsko konsistentnega elektrokemijskega modela, ki je bil razvit v okviru projekta CDL za inovativno krmiljenje in nadzor avtomobilskih pogonskih sistemov. Rezultati osnovnega termodinamsko konsistentnega elektrokemijskega modela in tranzientnega modela dinamike kapljevinaste in plinaste vode v nizko-temperaturni gorivni celici s protonsko izmenjalno membrano so bili objavljeni v priznani reviji – Journal of Power Sources (IF: 9,127). 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.
Slika 1: Shema sedemdomenskega modelskega pristopa.