Wykrywając zmiany w natężeniu prądu, można zidentyfikować stany awaryjne spowodowane niewłaściwym poziomem wody. Może to doprowadzić do opłacalnego i zrównoważonego wytwarzania energii dla pojazdów elektrycznych.

Naukowcy pokazują, jak można wykorzystać czujniki strumienia magnetycznego do monitorowania pracy ogniw paliwowych z membraną protonowymienną zasilanych wodorem.

Zespół badawczy z Graduate School of Systems and Information Engineering na Uniwersytecie w Tsukubie wprowadzili nową technikę wykrywania, kiedy wodorowe ogniwo paliwowe ma obniżoną wydajność z powodu okresów nadmiaru lub niedoboru wody. Dzięki zastosowaniu czujników mierzących gęstość strumienia magnetycznego można bezinwazyjnie monitorować ilość generowanego prądu, co może sygnalizować nadchodzący problem. Prace te mogą doprowadzić do opracowania technologii, która zwiększy niezawodność ogniw paliwowych, a jednocześnie znacząco zmniejszy emisję dwutlenku węgla przez samochody o napędzie wodorowym.

W miarę upływu czasu, jak trwają poszukiwania przyjaznych dla środowiska technologii w sektorze transportowym, które zastąpią na stałe silnik spalinowy, samochody zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi, z każdym dniem wyglądają coraz lepiej. Oprócz zerowej emisji dwutlenku węgla, te urządzenia do wytwarzania energii elektrycznej są bardzo wydajne i działają w niższych temperaturach niż inne metody.

Jednym z głównych typów jest ogniwo paliwowe z membraną protonowymienną (PEMFC). W tym przypadku membrana przepuszczająca jądra wodoru (czyli pojedyncze protony) oddziela przedziały tlenu i wodoru. Gdy protony przemieszczają się przez membranę i łączą się z tlenem, elektrony przepływają przez przewód, tworząc cząsteczkę wody, która jest jedynym produktem oprócz energii elektrycznej. PEMFC jest jednak podatne na awarie z powodu wysuszenia lub zalania układu nadmiarem wody. Aby zapewnić najwyższą wydajność, potrzebne są nowe detektory, które szybko zaalarmują, kiedy taka sytuacja ma miejsce, zwłaszcza w stosach ogniw paliwowych, w których trudno jest zlokalizować miejsce wystąpienia problemu.

Obecnie zespół z Uniwersytetu w Tsukubie opracował nowy system oparty na strumieniu magnetycznym wytwarzanym przez prądy elektryczne wewnątrz ogniwa paliwowego. Gdy system działa prawidłowo, wytwarzany prąd generuje charakterystyczny wzór pola magnetycznego, który może być wykrywany przez czujniki. Pozwala to na natychmiastowe rejestrowanie stanów awaryjnych dzięki zmianom strumienia magnetycznego.

– Warunki sprawiają, że działanie ogniw paliwowych jest nieprzewidywalne i zawodne, nawet w nominalnie identycznych warunkach pracy – mówi profesor Yutaro Akimoto.

Zespół przetestował swój system na chłodzonym powietrzem 50-watowym stosie PEMFC składającym się z pięciu ogniw paliwowych. Gęstość strumienia magnetycznego była mierzona za pomocą czujników umieszczonych w otworach chłodzących. W przypadku wykrycia usterki można było zastosować odpowiednie środki kontroli.

– Nasze badania otwierają możliwość zintegrowania w przyszłych ogniwach paliwowych zautomatyzowanych systemów sterowania – podsumował Akimoto.

Może to utorować drogę do bardziej wydajnych i praktycznych pojazdów o zerowej emisji spalin.

Projekt był finansowany JSPS KAKENHI Grant Number 17K14650, Yashima Environment Technology Foundation, TEPCO Memorial Foundation i Mazda Foundation.

Źródło: Yashima Environment Technology Foundation; TEPCO Memorial Foundation; Mazda Foundation; University of Tsukuba; Fuel Cells from Fundamentals to Systems