Zaawansowana technologia diagnostyki elektrochemicznej pozwoli na wydłużenie czasu eksploatacji ogniw paliwowych
Rewolucja przemysłowa była w dużej mierze napędzana silnikami parowymi i spalaniem węgla. W dzisiejszych czasach turbiny parowe wytwarzające energię elektryczną w wyniku spalania paliw kopalnych wytwarzają przeszło 65 % energii elektrycznej na świecie. Ogniwa paliwowe z polimerową membraną elektrolityczną (PEMFC) stanowią jedną z najbardziej obiecujących alternatyw, dzięki którym będzie możliwa transformacja społeczeństwa w kierunku wykorzystania bardziej ekologicznych i odnawialnych źródeł energii. Ich zastosowania obejmują wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej na potrzeby domów oraz budynków w ramach tak zwanej mikrokogeneracji oraz systemy zasilania awaryjnego. Zaawansowane narzędzie diagnostyczne i monitorujące opracowane w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu HEALTH-CODE stanowi sposób na znaczące zwiększenie osiągów oraz zmniejszenie kosztów ogniw PEMFC w tych i innych zastosowaniach. Proste reakcje, złożona diagnostyka Ogniwa PEMFC wytwarzają energię elektryczną bezpośrednio z wodoru oraz tlenu w postaci gazowej. Działanie ogniwa tego rodzaju opiera się na rozdzielaniu przez anodę wodoru w postaci gazowej na dodatnie jony wodoru (protony) oraz elektrony. Powlekana katalizatorem polimerowa membrana elektrolityczna (PEM) rozdzielająca anodę i katodę umożliwia jedynie dyfuzję protonów. W wyniku tego elektrony trafiają przez zewnętrzny obwód do katody, co pozwala na wytwarzanie energii elektrycznej. Przy katodzie następuje połączenie jonów wodoru oraz elektronów z tlenem z powietrza, co powoduje powstanie wody odprowadzanej z ogniwa. Na działanie oraz czas eksploatacji ogniw PEMFC może wpływać wiele czynników, w tym zanieczyszczenia w paliwie wodorowym, a także niedostateczne ilości wodoru lub tlenu. Występowanie związków siarki w ogniwach PEMFC, czego przyczyną mogą być na przykład zanieczyszczenia w strumieniu gazu po reformowaniu, mogą doprowadzić do zanieczyszczenia warstwy katalizatora. Kluczowe jest także zachowanie odpowiedniej gospodarki wodnej – zbyt duża ilość wody powoduje „zalewanie” ogniwa, natomiast zbyt mała ilość może spowodować wyschnięcie membrany. Narzędzie monitorujące i diagnostyczne opracowane w ramach projektu HEALTH-CODE sprawdza wszystkie te parametry i wykrywa problemy zanim wpłyną one nieodwracalnie na funkcjonowanie oraz okres eksploatacji ogniw PEMFC. Rozwiązanie – zaawansowana spektroskopia Jak twierdzi koordynator projektu, prof. Cesare Pianese: „Wykorzystywane do tej pory rozwiązania do monitorowania opierały się na szeregu konwencjonalnych czujników temperatury, ciśnienia, natężenia przepływu oraz napięcia, a także innych parametrów. Wykorzystanie takiego rozwiązania wymaga analizy olbrzymich ilości danych, a także wykorzystania technologii modelowania w celu uzupełnienia brakujących informacji o procesach elektrochemicznych zachodzących wewnątrz ogniw”. Rozwiązanie opracowane w ramach projektu HEALTH-CODE stanowi przełom w dziedzinie monitorowania i diagnozowania działania ogniw PEMFC. Narzędzie wykorzystuje doskonale znaną i używaną w szeregu zastosowań technologię elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS). Powodem, który umożliwia tak szerokie zastosowanie tej technologii jest bogactwo uzyskiwanych dzięki niej informacji, obejmujących między innymi parametry elektrod oraz wielu reakcji elektrochemicznych zachodzących w różnym tempie. Weryfikacja rozwiązania w rzeczywistym środowisku pracy potwierdziła jego możliwości w zakresie wykrywania problemów przed wystąpieniem nieodwracalnych uszkodzeń z dużo większą dokładnością niż dotychczasowe rozwiązania. Co więcej, udało się dzięki temu ustalić, że jego integracja zwiększa koszty produkcji ogniw o mniej niż 3 %. Możliwe do uzyskania oszczędności w zakresie kosztów eksploatacji i utrzymania będą stanowiły niezwykle ważny bodziec motywujący do szerszego wykorzystania ogniw PEMFC. Jak twierdzi Pianese: „Wykorzystanie tego rozwiązania doprowadzi do wdrożenia lepszych procedur utrzymania, integracji ogniw w ramach nowych paradygmatów energetycznych, takich jak inteligentne budynki i sieci dystrybucyjne, a także szerszego wprowadzania wirtualnych procedur zarządzania elektrowniami”. Ponadto technologia ta może wkrótce przynieść korzyści dotyczące zastosowań innych niż zasilanie awaryjne czy mikrokogeneracja oparta na ogniwach PEMFC. Jednym z pierwszych obszarów, które skorzystają na monitorowaniu i diagnostyce przy pomocy technologii EIS może być sektor pojazdów – samochodów, pociągów i autobusów. Rozwój nowych innowacyjnych rozwiązań powinien trwać nadal pomimo zakończenia projektu dzięki dwóm wspólnym warsztatom, które cieszą się dużym zainteresowaniem. Ponadto istnieją już plany stworzenia „ekosystemu rozwoju”, którego celem będzie wspieranie wymiany doświadczeń między podmiotami na szczeblach regionalnym, krajowym i międzynarodowym.
Słowa kluczowe
HEALTH-CODE, ogniwa paliwowe z polimerową membraną elektrolityczną (PEMFC), monitorowanie, wodór, elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna(EIS), energia elektryczna, ogniwo paliwowe, mikrokogeneracja
