Raziskovalci Laboratorija za motorje z notranjim zgorevanjem in elektromobilnost (LICeM) so v sodelovanju z Univerzo v Splitu, Fakulteto za elektrotehniko, strojništvo in ladjedelništvo razvili in validirali model dinamike vode v gorivnih celicah s protonsko izmenjevalno membrano, ki omogoča izvajanje v realnem času. Zaradi teh značilnosti je model primeren za uporabo v kontrolnih aplikacijah in aplikacijah kot so digitalni dvojčki in simulacije strojne opreme v zanki. Aktualnost in pomembnost rezultatov potrjuje objava v prestižni reviji Journal of Power Sources (IF: 9,127).
Optimalni nadzor dinamike vode igra ključno vlogo pri doseganju izboljšane zmogljivosti in podaljšane življenjske dobe gorivnih celic s protonsko izmenjevalno membrano (PEMFC). Spopadanje z omenjenimi izzivi kliče po natančnih orodjih za virtualno spremljanje in nadzor v realnem času, kot so na primer sklopljena virtualna tipala, ki upoštevajo tudi dinamiko kapljevite in plinaste vode. Virtualna zaznava za dinamiko vode predstavljajo velik izziv za modeliranje zaradi različnih stopenj zadrževanja in odstranjevanja kapljevite in plinaste vode glede na pogoje delovanja, kar predstavlja vrzel v znanju in trenutnem stanju tehnike na sistemski ravni. Z namenom uspešno nasloviti ta raziskovalni problem, smo razvili sistemski fizikalno motiviran model PEMFC z dimenzionalnostjo 1D+1D (predstavljen na spodnji sliki), ki vključuje dvofazni model za popis dinamike 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.
Slika 1: Shema sedemdomenskega modelirnega pristopa.
Model je obsežno validiran na eksperimentalnih podatkih z enocelične gorivne celice. Podatki so sestavljeni iz petih sklopov eksperimentov z različnimi režimi delovanja in trajanjem. Splošni rezultati se dobro ujemajo z eksperimentalnimi podatki v vseh opravljenih testih s faktorji R² večjim od 0,95. Iz teh rezultatov lahko zaključimo, da razviti model, ki dosledno obravnava dinamiko kapljevite in plinaste vode v vseh domenah FC in tako realno modelira hitrosti zadrževanja in odstranjevanja kapljevite in plinaste vode, uspešno zapolnjuje vrzel v znanju na področju modelov gorivnih celic na sistemski ravni. Razviti model tako znatno doprinaša k razvoju naprednih metodologij krmiljenja in simulacij strojne opreme v zanki ter aplikacij digitalnih dvojčkov.
Slika 2: Rezultat kalibriranega modela z uporabo eksperimentalnih podatkov pridobljenih (a) med počasnimi prehodi med visoko in nizko gostoto električnega toka ter (b) pri kombinaciji hitrih in počasnih prehodov med visoko in nizko gostoto električnega toka.
Povezava do članka: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231598