REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

V skladu z načrtom zelenega dogovora je eden od glavnih ciljev EU postati družba z ničelnimi
emisijami toplogrednih plinov do leta 2050. Za to je potreben napredek na številnih
področjih, od proizvodnje energije, pretvorbe, distribucije do shranjevanja energije, pri čemer
imajo eno izmed ključnih vlog naprave za elektrokemijsko pretvorbo energije (EECD,
angl. electrochemical energy conversion devices). EECD predstavljajo najboljši način za
reševanje problema z neskladnostjo proizvedene električne energije. Spadajo v družino
naprav, kot so gorivne celice, baterije, elektrolizerji, superkondenzatorji in vodikove črpalke.
Osnovni princip delovanja vseh EECD je podoben, vendar se razlikujejo v dizajnu
in načinu delovanja. V sami naravi se dogajajo kompleksni elektrokemični procesi, ki predstavljajo
osnovo za njihovo delovanje. Po drugi strani ti procesi predstavljajo glavni vir
degradacije, ki vpliva na njihovo zanesljivost in trajnost. Nezaželeni degradacijski procesi
igrajo pomembno vlogo in močno vplivajo na njihov način delovanja, tako da zmanjšajo
njihovo učinkovitost ter skrajšajo njihovo življenjsko dobo. Zato je spremljanje teh
degradacijskih procesov zelo pomembno.
Elektrokemijska impedančna spektroskopija (EIS, angl. electrochemical impedance
spectroscopy) predstavlja enostavno in učinkovito in-situ metodo, ki se najbolj pogosto
uporablja za spremljanje zdravja EECD v realnem času. Rezultat poda podrobno informacijo
o dinamiki fizikalnih in kemijskih procesov, ki se pojavljajo v samih sistemih. Klasični
način EIS temelji na enofrekvenčnem sinusnem vzbujanju s prej določenimi frekvencami,
ki se zaporedno dodajajo na konstantno delovno točko. Težave nastopajo pri zagotavljanju
pogojev stacionarnosti, linearnosti in kavzalnosti, ki zaradi kompleksnosti elektrokemičnih
sistemov predstavlja najbolj zahtevno nalogo pri opravljanju EIS, še posebej za frekvence,
nižje od 100 mHz. Pri nizkih frekvencah se z naraščajočim časom vzbujanja verjetnost, da
bodo zunanje okoljske motnje vplivale na meritve, povečuje.
Uporaba širokopasovnih vzbujevalnih signalov, kot na primer diskretno naključno binarno
zaporedje (DRBS, angl. discrete random binary sequence), predstavlja najboljši
način, kako se izogniti omejitvam klasične EIS. Ta pristop se imenuje hitra EIS. Cilj te
disertacije je ponovno pregledati metode hitre EIS in predlagati njeno nadgradnjo, ki bo
omogočila pristop za učinkovitejšo spremljanje stanja EECD. V tej disertaciji sem predlagal
tri različne izboljšave metode hitre EIS.
Prva izboljšava predstavlja implementacijo Mors valjčne funkcije v zvezni valjčni transformaciji
(CWT, angl. continuous wavelet transform), ki omogoča natančno oceno impedance
pri ultra nizkih frekvencah (<1 mHz). Dokazano je, da Mors valjčna funkcija ostane analitična
tudi pri ultra nizkih frekvencah (<1 mHz). To pomeni, da je funkcija popolnoma
koncentrirana pri pozitivnih frekvencah kljub svoji disperziji. To daje možnost natančne
ocene zdravstvenega stanja (SOH, angl. state of health) in stanja napolnjenosti (SOC,
angl. state of charge) Li-Ionske baterije.
Druga izboljšava predstavlja sledenj spremembam impedančnih krivulj preko kvantifikacije
s pomočjo uporabe modela ekvivalentnega vezja (ECM, angl. equivalent circuit
model) ali preko porazdelitvenih relaksacijskih časov (DRT, angl. distribution of relaxation
times). To ponuja možnost za pravočasno odkrivanje nezaželenega delovanja ali morebitnih
degradacijskih procesov znotraj elektrokemičnih naprav za pretvorbo energije, kot na
primer pomanjkljivosti v oskrbi z gorivom (angl. increased fuel utilisation).
Tretja izboljšava predstavlja izgradnjo modularne eksperimentalne proge, ki jo lahko
uporabljamo za izvedbo hitre EIS z uporabo poljubnega signala za vzbujanje. Predlagana
modularna proga je sestavljena iz komercialno dostopnih in cenovno učinkovitih komponent,
ki zagotavljajo veliko prilagodljivost ne glede na vhodno/izhodno moč ter na način
delovanja.
Učinkovitost zgornjih izboljšav sem dokazal preko številnih pospešenih in dolgotrajnih
poskusov na različnih elektrokemičnih napravah, in sicer na: enoceličnem SOFC, SOFC
skladih, enoceličnem SOE, SOE skladih, elektrokemičnem vodikovem kompresorju, Li-Ion
bateriji itd., pri čemer smo pridobili in obdelali več kot 5 TB podatkov. Metode in kode
za vsak zgoraj navedeni korak so javno dostopne.