Vývoj modelů vysokoteplotních elektrochemických cel s pevnými oxidy a jejich validace

• Thesis title in Czech: Vývoj modelů vysokoteplotních elektrochemických cel s pevnými oxidy a jejich validace
• Thesis title in English: Development of models for high-temperature solid-oxide electrochemical cells, and their validation
• Key words: elektrochemie|metoda konečných objemů|impedanční spektroskopie|nerovnovážná termodynamika
• English key words: electrochemistry|finite volume method|impedance spectroscopy|non-equilibrium thermodynamics
• Academic year of topic announcement: 2021/2022
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Mathematical Institute of Charles University (32-MUUK)
• Supervisor: doc. RNDr. Michal Pavelka, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 02.08.2022
• Date of assignment: 02.08.2022
• Confirmed by Study dept. on: 06.10.2022
• Advisors: prof. Ing. František Maršík, DrSc.

Guidelines

Cílem práce je návrh fyzikálního modelu elektrochemické cely s pevnými oxidy (SOC) v rámci nerovnovážné termodynamiky, jeho následná numerická implementace a simulace standardních elektroanalytických metod, např. electrochemické impedanční spektroskopie a cyklické voltametrie. Dále porovnání fyzikálního modelu s výsledky měření na konkrétních elektrochemických zařízeních. Kalibrace fyzikálního modelu z pohledu více experimentálních technik poskytne spolehlivější a komplexnejší informaci o elektrochemické cele. Model pak může být použit pro stanovení přesnější relace mezi elementy náhradního elektrického obvodu a měřitelnými fyzikálními parametry měřeného zařízení.

Předpokládaný postup práce:
0) Rešerše současné literatury
1) Návrh dynamického modelu rozhraní elektrolyt-elektroda v přiblížení lokálni hustoty naboje a elektrostatického potenciálu pomocí metod nerovnovážné termodynamiky.
2) Diskretizace rovnic dynamického modelu SOC pomocí vhodných numerických metod a jejich počítačová implementace v jednom z dostupných softwarových balíku.
3) Užití počítačové implementace modelu SOC k nalezení parametrů, které poskytují nejlepší shodu s experimentálními daty na základě užitých elektroanalytických metod. Interpretace závislostí nalezených parametrů.
4) Porovnání výsledků fyzikálního modelu s fitováním dat pomocí náhradních elektrických obvodů.

References

[1] F. Barbir. Pem Fuel Cells: Theory And Practice. Academic Press Sustainable
World Series. Elsevier Acad. Press, 2005
[2] J. Bard and L.R. Faulkner. Electrochemical Methods: Fundamentals and
Applications. Wiley, 2000.
[3] S.R. De Groot and P. Mazur. Non-Equilibrium Thermodynamics. Dover
Books on Physics. Dover Publications, 2013.
[4] Michal Pavelka, Václav Klika, Petr Vágner, and František Maršík. Generalization
of exergy analysis. Applied Energy, 137:158–172, 2015.
[5] Michal Pavelka and František Maršík. Detailed thermodynamic analysis of
polymer electrolyte membrane fuel cell efficiency. International Journal of
Hydrogen Energy, 38(17):7102 – 7113, 2013.
[6] Michal Pavelka, František Maršík, and Václav Klika. Consistent theory of
mixtures on different levels of description. International Journal of Engineering
Science, 78(0):192 – 217, 2014.

Preliminary scope of work

Ukládání elektrochemické energie je jednou z hlavních cest v moderní energetice. Ačkoliv principy fungování elektrochemických cel jsou známy už řadu desetiletí, stále chybí detailní porozumění jejich fyzice. Chování palivových článků se typicky popisuje pomocí náhradních elektrických obvodů, které však nepopisují reálnou fyziku těchto systémů (difuze, transport náboje, elektrostatika, apod.) Proto je také problematické využít parametry náhradního obvodu pro jednu celu v jiné cele a náhradní obvody také typicky nepopisují změny parametrů jako teplota nebo tlak.

Elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS) je důležitou experimentální technikou využívanou při zkoumání elektrochemických cel, speciálně palivových článků a elektrolyzérů [1,2]. Metoda je založena na porovnávání napěťové odezvy na definovaný proudový signál o různých frekvencích. Současným standardním postupem pro interpretaci dat je nalezení náhradního elektrického obvodu a vhodných parametrů s odpovídající impedancí v daném frekvenčním rozsahu. Interpretace EIS pomocí náhradních obvodů je snadno proveditelná, nicméně také značně závislá na volbě náhradního elektrického obvodu. Problematický je i vztah mezi impedancí jednotlivých prvků zvoleného náhradního obvodu a mezi reálnými fyzikálními vlastnostmi (vodivost, difúzní koeficient a pod.).

Kromě EIS je další rozšířenou experimentální elektrochemickou technikou měření voltampérové charakteristiky, např. cyklická voltametrie (CV). V literatuře existuje velké množství kinetických modelů pro interpretaci experimentálních dat CV pro jistou elektrochemickou celu. Nicméně ve většině případů tyto modely neberou v potaz také výsledky EIS pro danou celu.

Cílem práce je vyvinout fyzikální model v rámci nerovnovážné termodynamiky, který dobře popíše výsledky více elektroanalytických metod zároveň. To umožní přesnější experimentální zjištění fyzikálních koeficientů dané elektrochemické cely.

Preliminary scope of work in English

Electrochemical storage is one of the main approaches in modern energetics. Although the principles of electrochemical cells have been known for many decades, detailed understanding of the underlying physics is still missing. The behavior of fuel cells is often described by equivalent electric circuits, which do not represent the true physical nature of the systems (diffusion, charge transport, electrostatics, etc). Therefore, it is problematic to transfer parameters of the equivalent circuits between different cells, and the circuits usually can not cope with changes in parameters like pressure or temperature.

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is an important experimental technique for studying electrochemical cells, in particular fuel cells and electrolyzers [1,2]. The method compares the voltage response for a defined current signal with varying frequencies. Nowadays, the standard procedure for data interpretation is to find an equivalent circuit and its parameters with the corresponding impedance in the frequency range. Interpretation of EIS using equivalent circuits is relatively feasible, but it depends on the choice of the equivalent circuit. Also, the relation between the impedances of the particular elements of the circuit and the real physical properties (conductivity, diffusion coefficients, etc) is problematic.

Another widely used experimental technique, apart from EIS, is the current-voltage characteristic, for instance cyclic voltammetry. There are many kinetic models in the literature that interpret experimental CV data for a given electrochemical cell. However, they rarely take into account also the EIS data for that cell.

The goal of this thesis is to develop a physical model within non-equilibrium thermodynamics that well describes results of multiple electroanalytical methods at once. That will determine the physical coefficients of the cell more precisely.