2007/1–2 - Széchenyi István Egyetem

Az idő és helyváltozó
t
τ :=
=
⎛
⎞
⋅ ⎜ 1 1
a C + ⎟ L
2
dl ⎜ k σ ⎟
⎝ eff eff ⎠
64
(12)
(13)
transzformációjával, illetve a
2 pα F ⎛ 1
ν := 0 ≡ ⎜
C RT ⎜
⎝
1
+
σ
⎞ 2 α α 1
⎟
0 ≡ ⋅ 0
⎠
(14)
+
i a k
F
L
RT i
dl eff eff
F ⎛
a i ⎜
RT ⎜
⎝ keff
1 ⎞
⎟
σ ⎟
eff ⎠
jelöléssel a feladat átírható egyszerűbb alakra. Az egyenlet
∂
=
∂
(15)
∂ u
− ( )
t ∂
> ∈
X
2
u
2
( , τ ) ( X , τ ) ν exp u( X , τ )
2
x
τ 0, x [ 0, 1]
alakú, míg a kezdeti és peremfeltételek a transzformáció után:
u( X , 0) : = U ( LX , 0) = 0
Járműipari innováció – JRET
illetve
∂
=
∂
∂
u
L = −
X ∂
U
α F
( 0, τ ) ( 0,
τ ) L I( pτ
)
x σ RT
X
(16)
(17)
(18)
alakot öltik. A (16)–(18) parabolikus parciális differenciálegyenletet
numerikusan megoldva jutunk a cellában a potenciál és
túlfeszültség, illetve a reakciósebesség eloszlásához.
Az 5. ábra jól szemlélteti, hogy a reakció a pórusos elektródban
nem egyenletesen játszódik le. Tulajdonképpen a két fázis veze-
tőképességének (σ eff / κ eff ) az aránya határozza meg a reakció
térbeli eloszlását. Abban az esetben, ha a fázisok vezetőképessége
megegyezik, a reakció eloszlása szimmetrikus lesz. Amikor
a vezetőképességben eltérések mutatkoznak (jelen esetben az
t
p
x
:=
L
∂
=
∂
∂
u U α F
( L, τ ) L ( L, τ ) = L I( pτ
)
X ∂x
k RT
eff
eff
5. ábra: a reakciósebesség eloszlása az elektród hosszirányú keresztmetszetében
ionvezető fázis vezetőkéssége tizede a mátrixénak), a reakció a
membránhoz közelebbi oldalon játszódik le. Szemléletesen az
áram a kisebb ellenállású fázis felé törekszik, így az elektrokémiai
reakció is ennek megfelelően játszódik le.
AZ EREDMÉNYEK GYAKORLATI ALKALMAZÁSA
A gyakorlatban természetesen nem tudjuk mérni az elektródon
belül lejátszódó potenciál vagy áramsűrűség eloszlását. Ugyanakkor
a cella kapcsain átfolyó áram és feszültség időbeli fluktuációja
egyaránt mérhetők. Ez a fluktuáció lehetőséget teremt az előzőekben
bemutatott elmélet gyakorlati alkalmazására, nevezetesen,
hogy valós időben kövessük nyomon a cellában bekövetkező nemkívánatos
jelenségek kialakulását és még időben el tudjuk őket
hárítani, vagy kiküszöbölni. Mivel az üzemanyagcellák feszültsége
legtöbb esetben nem felel meg a gyakorlati alkalmazásoknak,
ezért azokat konvertálják. A legegyszerűbb ilyen eszköz látható
a 6. ábrán. A kívánt feszültség a t on / (t on +t off ) arányától függ,
miközben a kapcsoló ki-be kapcsolja az áramkört.
6. ábra: feszültségátalakító eszköz üzemanyagcellákhoz
Eközben az üzemanyagcella feszültsége is folyamatosan változik
relaxációk és impulzusok sorozatából. Természetesen ezen állapotokat
a modell alapján is ki lehet számítani, amely a 7. ábrán
látható a gyakorlatban mért eredményekkel összhangban.
A 7. ábrán látható, hogy bár kvalitatív és kvantitatív módon
egyaránt számos egyezés tapasztalható, mindemellett jelentős
különbségek is felfedezhetőek a feszültségprofilokban. Ezek
a különbségek jelenleg oda vezetnek, hogy gyakorlatban nem
tudjuk valós időben megfelelő relevanciával kiszámítani a cella
belső paramétereit, mint a fázisok ellenállása vagy a reakció
csereáram-sűrűsége. További kutatások szükségesek a rendszer
nemlineáris csatolásainak a felderítésére, amely új méréstechnika
kifejlesztését is igényli. Kutatócsoportunk rendelkezik az
üzemanyagcella-vizsgálatokhoz szükséges berendezésekkel,
illetve az elektrokémiai folyamatok jobb megértését lehetővé
tevő vizsgálóberendezésekkel, mint elektrokémiai impedancia
spektroszkóp stb. A kifejlesztendő mérési és szabályozási eljárás,
az üzemanyagcellák nemlineáris viselkedésének és szabályozásának
megértése pedig hasonló tartalékokkal rendelkezik, mint
a katalizátorkutatások. Ez a terület azonban mély matematikai,
elektrokémiai és informatikai ismereteket igényel, amelyben
hazánk és kutatócsoportunk is versenyképes lehet az egyébként
rendkívül kiélezett versenyben.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
A kutatás az NKTH „Egyéni 5LET” pályázatának finanszírozásával
valósult meg. További információ: www.fuelcell.hu.
2007/1–2. A jövő járműve