Projekti / Programi
Spremljanje degradacije in optimizacija delovanja trdo-oksidnih elektrolizerjev
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.00 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T121 |
Tehnološke vede |
Obdelava signalov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
Trdo-oksidne celice za elektrolizo, nadzor stanja, degradacija, modeliranje, obdelava signalov, sistemi z ne-celimi odvodi
Raziskovalci (6)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
34624 |
dr. Pavle Boškoski |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2018 - 2021 |
176 |
| 2. |
36715 |
dr. Boštjan Dolenc |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2018 - 2019 |
48 |
| 3. |
02561 |
dr. Đani Juričić |
Sistemi in kibernetika |
Vodja |
2018 - 2021 |
414 |
| 4. |
28466 |
dr. Marko Nerat |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2018 - 2021 |
41 |
| 5. |
39149 |
dr. Gjorgji Nusev |
Sistemi in kibernetika |
Tehnični sodelavec |
2021 |
32 |
| 6. |
25655 |
dr. Boštjan Pregelj |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2018 - 2021 |
128 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Celice za trdno-oksidno elektrolizo (SOEC) so elektrokemične naprave, ki odvečno električno energijo pretvorijo neposredno v goriva, kot so vodik, sintetični plin in metan, na zelo učinkovit in okolju prijazen način. Okolju neškodljivi plini se lahko naprej uporabljajo za proizvodnjo toplote in električne energije ter za avtomobilske aplikacije.
Visoka učinkovitost in desjtvo, da ni potrebe po redkih materialih, kot so platina ali litij, kot pri nizkotemperaturnem elektrolizerju ali baterijah, so samo nekatere napredne lastnosti, ki trdno-oksidno elektrolizo dela zelo perspektivno. To gre na račun visokih obratovalnih temperatur prbližno 550-900 ° C, dolgih zagonov in vrste škodljivih kemičnih procesov, ki degradirajo delovanje celic in zmanjšujejo njeno njeno trajnost. Premajhna učinkovitost in slaba trajnost sta glavni oviri za širšo komercializacijo SOEC. Poleg prizadevanj za nove materiale, ki bodo pripomogli k zmanjšanju obratovalnih temperatur, ostajajo dva temeljna problema odprta. Eden je nezadostno razumevanje nastanka in razvoja degradacijskih pojavov v elektrolitu in elektrodah. Drugi je pomanjkanje zanesljivih orodij za sprotno (modus operandi) odkrivanje, prepoznavanje in ukrepanje ob pojavu degradacije, ki bi ustrezno podaljšanlo življenjsko dobo teh naprav.
Ta dva problema sta v središču pričujočega projekta. Projekt izvajata skupini raziskovalcev iz Tehniške Univerze v Grazu (TUG) in z Instituta Jožef Stefan (JSI). Skupini odlikujeta komplementarnost strokovnih profilov. Takšen projekt bi bil nemogoč brez nedavnih izvirnih rezultatov za regeneracijo trdnih oksidnih naprav do katerih so prišli na TUG. Na drugi eni strain, na JSI so razvili postopke za nadzor stanja na podlagi ne-sinusnega vzbujanja in obdelave signalov. TUG bo vodil neprekinjeno testiranje SOEC celic na življenjsko dobo skozi pospešene teste. Vmes, med poskusom, bomo uporabljali nove tehnike karakterizacije SOEC, ki se opirajo na ne-sinusno vzbujanje. Slednji, ki ga je razvila skupina JSI, bo združen z novimi algoritmi za obdelavo statističnih signalov za potrebe spremljanja stanja razreda sistemov z ne-celimi odvodi (FOS). Namen tega projekta je najti vektor informativnih značilk, ki lahko odražajo specifiko degradacijskega mehanizma.
Naslednja težava, ki jo je treba obravnavati, se nanaša na dintezo učinkovitih proti-ukrepov, z namenom, da bi se izognili degradaciji, oz. upočasnili njeno napredovanje. Zaenkrat tovrstnih rezultatov preprosto še ni za področje SOEC. Pri tem bomo uporabili izkušnje, ki jih je skupina IJS pridobila pri načrtovanju korektivnih ukrepov v trdno-oksidnih gorivnih celicah. Celotna metodologija bo eksperimentalno preverjena na TUG. Pomemben rezultat projekta bo javno dostopna baza v kateri bomo shranjevali rezultate poskusov. Pričujoči project poprispeval izvirne rezultate (i) v obliki novih znanj na področju razumevanja mehanizmov degradacije SOEC, kot tudi (ii) nove, do sedaj, postopke sprotnega spremljanja stanja SOEC sistemov. Na ta način bo možno pridobiti osnovnega znanja o različnih mehanizmih degradacije, kar lahko privedejo do nepopravljivega poslabšanja mikrostrukture in učinkovitosti celic. Z uporabo novih načinov karakterizacije SOEC, ki presega običajno elektrokemijsko impedančno spektroskopijo, bo nadzor stanja SOEC presegel znane postopke diagnostike in korektivnega ukrepanja.
Pomen za razvoj znanosti
Ambicije projekta presegajo trenutno stanje na področju. Posledično pričakujemo naslednje pomembne prispevke znanstveni skupnosti:
Pristop k identifikaciji sistemov opisanih z diferencialnimi enačbami z ne-celimi odvodi (FOS); pristop temelji na uporabi modulacijskih funkcij, kar predstavlja temeljni doprinos k teoriji FOS. Postopek je inovativen, računsko nezahteven, zanesljiv in poda zanesljive napovedi tudi v zelo šumnih razmerah. V primeru uspešne realizacije z algebrajskim pristopom dobimo identifikacijsko metodo, ki prekaša ostale trenutno poznane algoritme.. Možna uspešna razširitev na nelinearno dinamično FOS identifikacijo bi odprla povsem novo vejo temeljenjih raziskav.
Pričakujemo, da bodo nove metode karakterizacije zdravstvenega stanja, ki temeljijo na modeliranju s pomočjo odvodov na racionalna števila in porazdelitev relaksacijskih časov (DRT) kot neposredni stranski rezultat, odpravile slabosti trenutne EIS in podobnih metod, ki temeljijo na nadomestnih modelih. Te metode doslej še niso bile uporabljene pri spremljanju stanja SOEC. Zanesljive funkcije zagotavljajo pravočasno prepoznavanje degradacije in izvršitev pravočasnih korektivnih ukrepov.
Nova temeljna znanja o različnih mehanizmih degradacije, ki lahko povzročijo nepopravljive napake mikrostruktur, kot tudi poslabšanje zmogljivosti posameznih celic. Z uporabo novih primerov sistemske karakterizacije, kot je DRT, bi morali zagotoviti karakteristične frekvence za različne raziskane procese.
Nove korektivne strategije bodo verjetno med prvimi rezultati na tem področju. Popravni ukrepi v zgodnji fazi, ko je degradacija še vedno reverzibilna, bodo pripomogli k preprečevanju odpovedi in izboljšanju zanesljivosti elektrolizerjev. Predvideni rezultati projekta bodo doprinesli k novemu načinu krmiljenja SOEC, ki namesto pristopa detekcije odpovedi uporablja pristop napovedovanja in preprečevanja odpovedi. Na podlagi dolgotrajnih eksperimentov, bosta ekipi Tehnične Univerze Gradec in Instituta Jožefa Stefana ustvarili pravilo in kvantitativne modele, ki bodo pojasnili, kako se vzorec lastnosti spremeni zaradi določenega degradacijskega mehanizma.
Novo znanje bo dolgoročno pomagalo proizvajalcem v Evropski uniji pri načrtovanju in uvajanju novih generacij vzdržljivih in zanesljivih trdo oksidnih elektroliznih sistemov.
Pomen za razvoj Slovenije
The project ambitions go beyond the present state of the art. Thus the substantial contributions of the project to the research community are expected to be the following:
The JSI approach to FOS identification (outlined in [**]l) builds on the use of modulating functions represents a fundamental contribution to the theory of FOS. The innovative procedure tuns to be computationally efficient, reliable and returns quality estimates even under substantial noise conditions. If we manage to put it into the algebraic framework, then we get an identification means that outpuerforms any of the known algorithms at the time being. Possible successful extensions towards non-linear dynamical FOS identification would open an entirely new branch of the fundamental research.
Novel health characterisation methods, relying on fractional order modelling and distribution of relaxation times as a side result, are expected to overcome the weaknesses of current EIS and equivalent models approaches. These methods have not been employed in the SOEC health monitoring so far. Reliable features guarantee timely identification of the degradation modes and timely accommodation actions.
New fundamental knowledge on different degradation mechanisms, which can induce the irreversible deterioration of the cells’ microstructure and performance. Using new instances of system characterization, such as DRT to characterize the systems, should provide characteristic frequencies for the different processes investigated.
New mitigation strategies are likely to be among the first results in the field. Correctve measurers at an early stage, when degradation is still reversible will serve to avoid failure and improve the reliability of SOECs. The anticipated project outputs will bring SOEC system control beyond the current state-of-the-art by changing the approach from one of failure detection approach to one of failure prediction and prevention.
Based on long-term experiments, the TUG and JSI will create a rule base and quantitative models explaining how the pattern of features changes in the presence of a particular degradation mechanism.
New instances of knowledge will help in long-term the EU manufacturers in the design and deployment of a new generation of endurable and reliable solid oxide electrolysis systems.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
