Spremljanje degradacije in optimizacija delovanja trdo-oksidnih elektrolizerjev

Vodja projekta:

prof. dr. Đani Juričić

Trajanje:

1.11.2018 - 31.10.2021

Financiranje:

ARRS - Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije, J2-9441 (B)

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