Naukowcy z Uniwersytetu w Aalborgu zwiększyli wydajności ogniw paliwowych

Naukowcy z Uniwersytetu w Aalborgu (AAU) odkryli prosty sposób na zwiększenie wydajności chłodzonych powietrzem ogniw paliwowych. Badacze stworzyli TurbuGrid – ta niewielka, plastikowa siateczka o rozmiarach 16 cm x 16 cm pozwala na zwiększenie wydajności ogniwa o co najmniej 33,5%, dzięki wprowadzaniu turbulencji do przepływu gazów w ogniwie.

Turbulencje pełnią w tego rodzaju instalacjach istotną rolę, ponieważ wpływają na przekaz ciepła w ogniwie, a to z kolei na gęstość mocy, jaka może zostać uzyskana z tego rodzaju systemu.

„Chcielibyśmy, by ogniwo pracowało przy około 50-60 stopniach Celsjusza, ponieważ w tej temperaturze reakcja pomiędzy tlenem a wodorem ma najlepsze warunki do zachodzenia. Tak więc potrzebujemy wydajnej metody transportu nadmiarowego ciepła z wnętrza ogniwa paliwowego, tak by utrzymywać je w pożądanej temperaturze”, komentuje profesor Torsten Berning z Wydziału Technologii Energii Uniwersytetu w Aalborgu.

Fotowoltaika od Columbus Energy

Powietrze płynie przez ogniwo przepływem laminarnym. Nie jest to idealne rozwiązanie, jeśli chodzi o efekty chłodzące. Dlatego też badacze postanowili wprowadzić w przepływ turbulencje. Zrealizowano to dzięki niewielkim plastikowym siatkom.

Zmiana podejścia do tego zagadnienia jest dosyć radykalna. Poprzednie starania optymalizacyjne ogniwa opierały się na tworzeniu warunków do jak najlepszego przepływu gazów. Nie udoskonalano dotychczas parametrów termicznych ogniw, więc nie pracowały one w swojej optymalnej temperaturze. „Teraz nasze badania pokazały, że dużo więcej da się uzyskać, jeśli zadba się o przekaz ciepła w ogniwie. Może to zostać osiągnięte poprzez wprowadzenie turbulencji do przepływu”, mówi Berning.

Im więcej mocy, tym więcej ciepła

Im większa jest moc ogniwa paliwowego, tym więcej produkuje ono ciepła. Dlatego też konieczne jest projektowanie ogniw tak, by móc lepiej kontrolować temperaturę w jego wnętrzu. W momencie, gdy gaz płynie w sposób laminarny, przekaz ciepła jest relatywnie słaby, co ogranicza ilość mocy, jaką może produkować ogniwo.

„Jeśli nie jesteśmy w stanie dobrze kontrolować przekazu ciepła, ogniwa szybko zrobią się zbyt gorące do pracy. Dlatego też nie jesteśmy w stanie wygenerować z nich tyle mocy, na ile pozwala ich potencjał. Wprowadzając turbulencje do przepływu, widzimy istotną różnicę w ilości generowanej mocy, co przekłada się na zwiększenie wydajności samego ogniwa – przekazuje ono więcej ciepła do przepływającego powietrza”, tłumaczy naukowiec.

We wnętrzu ogniwa paliwowego nie ma zbyt wiele miejsca, dlatego tez trudno jest mierzyć w nim temperaturę. Berning wraz z swoim zespołem wykorzystał model komputerowy, by w pełni zrozumieć dane pochodzące z fizycznych eksperymentów z nowymi ogniwami. Rezultaty eksperymentu i wyniki modelowania pokrywają się ze sobą i jednoznacznie wskazują – dodanie tej prostej siatki, wprowadzającej turbulencje, zwiększa wydajność samego ogniwa.

Wydłużony czas pracy starych ogniw

Chłodzone powietrzem ogniwa paliwowe wykorzystuje się obecnie w szeregu aplikacji. Tego rodzaju systemy często spotykane są np. w podnośnikach widłowych, niewielkich dronach, a także jako awaryjne źródła zasilania w systemach telekomunikacyjnych i informatycznych.

Typowe ogniwo paliwowe jest w stanie pracować przez około 5-6 lat, zależnie od warunków. Dodanie do jego konstrukcji siateczki TurbuGrid spowoduje wydłużenie tego czasu, dzięki lepszej kontroli temperatury wewnątrz ogniwa.

Typowe ogniwo tego rodzaju kosztuje około 1000 dolarów za kW mocy, a dodanie plastikowych TurbuGrid może istotnie nie tylko zredukować ich cenę (dzięki zwiększeniu wydajności), ale także wydłużyć czas pracy systemu. Dodatkowo, siateczki wprowadzające turbulencje można stosować także w istniejących ogniwach, w ramach ich modernizacji.

źródło: phys.org