AGH pracuje nad przełomem w ogniwach paliwowych. Nowe materiały mogą zmienić rynek energii

Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej pracują nad rozwiązaniem jednego z głównych problemów stałotlenkowych ogniw paliwowych - ich zbyt szybkiego zużywania się. Dr inż. Piotr Winiarz z Wydziału Energetyki i Paliw realizuje grant Narodowego Centrum Nauki, który ma za cel zbadanie materiałów o ujemnym współczynniku rozszerzalności termicznej. Wstępne wyniki sugerują, że ich wykorzystanie jest szansą na jeszcze bardziej wydajne produkowanie ekologicznej energii.

Czemu ogniwa paliwowe się degradują?

Stałotlenkowe ogniwa paliwowe to urządzenia, które na drodze prostych reakcji chemicznych generują prąd z wodoru i tlenu. Ogniwo składa się z trzech warstw - anody, elektrolitu i katody. Do anody dostarczany jest wodór, do katody tlen (lub powietrze), a w wyniku zachodzących reakcji chemicznych, jak utlenianie i redukcja, pojawia się napięcie, które może zostać wykorzystane do produkcji energii elektrycznej. Jedynym produktem ubocznym procesu jest para wodna, więc jest to rozwiązanie przyjazne dla środowiska i atmosfery.

Problem tkwi w warunkach pracy. Wymagana temperatura pracy takiego ogniwa wynosi około 600°C, a więc tworzące je materiały ulegają ogrzaniu, w wyniku czego zmieniają się ich właściwości. Materiały składające się na ogniwo mają bowiem różne współczynniki rozszerzalności termicznej, a więc reagują na podwyższoną temperaturę w różnorodny sposób i nierównomiernie się odkształcają.

W wyniku tych procesów powstają naprężenia i mikropęknięcia, a ogniwo coraz szybciej się zużywa i po kilku tysiącach godzin pracy może wymagać wymiany. To znacznie zmniejsza opłacalność ogniw, dlatego obecnie stosuje się je głównie jako awaryjne źródła energii.

Materiały, które się kurczą zamiast rozszerzać

Większość znanych materiałów wraz ze wzrostem temperatury zwiększa swoją objętość, a więc charakteryzują się dodatnią rozszerzalnością termiczną. Ta zależność wynika ze sposobu zachowywania się atomów w określonych warunkach cieplnych - kiedy materiał jest podgrzewany, to zmieniają się typy drgań w sieci krystalicznej, wiązania się rozluźniają, a tym samym zwiększa się średnia odległość między atomami.

Istnieje jednak niewielka część materiałów o ujemnym współczynniku rozszerzalności termicznej. Kiedy ich temperatura się podwyższa, one zaczynają się kurczyć. Należą do nich tlenkowe materiały perowskitowe odkryte parę lat temu. Podłoże tego zjawiska nie jest jeszcze w pełni poznane, ale jedna z hipotez sugeruje, że atomy w takich materiałach charakteryzują się nietypowym, skręcająco-zginającym typem drgań w strukturze krystalicznej.

Dr inż. Winiarz proponuje dodać materiał o ujemnej rozszerzalności cieplnej do katody, czyli materiału o dodatniej rozszerzalności cieplnej i w ten sposób sprawić, że wpływ działania wysokiej temperatury na struktury ogniwa zostanie zminimalizowany. Struktury nie zmieniałyby swojej objętości, dzięki czemu nie powstawałyby naprężenia i pęknięcia prowadzące do zużycia ogniwa. Wstępne wyniki badań dr. inż. Piotra Winiarza pokazują, że takie rozwiązanie jest skuteczne w praktyce i dzięki takiemu połączeniu materiałów stałotlenkowe ogniwa paliwowe faktycznie mogą zużywać się wolniej.

150 materiałów do przetestowania

Projekt dr. inż. Piotra Winiarza nosi tytuł "Odkrywanie materiałów z ujemnym współczynnikiem rozszerzalności termicznej do wytworzenia wysokowydajnych kompozytowych katod w stałotlenkowych ogniwach paliwowych o podwyższonej stabilności długoczasowej" i otrzymał finansowanie NCN w ramach konkursu SONATA 21.

W ramach grantu badacze zsyntezują i zbadają około 150 różnych materiałów. Naukowiec szczególne nadzieje pokłada w perowskitach na bazie samaru i manganu z dodatkiem cynku. Oprócz tego naukowiec będzie sprawdzał jakie efekty będzie miało zastąpienie cynku innymi metalami jak miedź, tytan, żelazo czy chrom. Aby zrozumieć rolę samaru testom zostaną poddane związki, w których zastąpią go inne ziemie rzadkie takie jak lantan, prazeodym czy neodym.

Otrzymane kompozytowe katody poddane zostaną zarówno obserwacjom makroskopowym (mającym za zadanie ustalić czy materiał naprawdę się kurczy pod wpływem ciepła), jak i spektroskopii ramanowskiej i spektroskopii w podczerwieni, które pozwolą zbadać materiały w skali atomowej. Dyfrakcja rentgenowska pozwoli zbadać strukturę krystaliczną materiałów oraz zachodzące w niej zmiany. Jak zaznacza naukowiec, typy drgań każdego materiału są jak jego odcisk palca - każdy materiał charakteryzuje się swoim własnym, niepowtarzalnym wzorcem. Dlatego jednym z celów projektu jest sprawdzenie, jak temperatura wpływa na drgania atomów w poszczególnych materiałach.

Szansa na szersze zastosowanie

Obecnie największe produkowane stosy ogniw paliwowych są w stanie generować setki kilowatów, a nawet megawatów mocy. Jednak ze względu na szybkie zużywanie się, stosuje się je głównie jako zapasowe źródła energii. Aby mogły stać się opłacalne i być wykorzystywane na szeroką skalę jako podstawowe źródło energii, poprawie musiała ulec ich długoczasowa stabilność.

Badania przeprowadzone przez naukowca z AGH mogą dostarczyć nowych informacji nie tylko na temat grupy materiałów perowskitowych, ale także samego zjawiska ujemnej rozszerzalności termicznej. Wiele materiałów z tej grupy nie jest jeszcze wystarczająco dobrze scharakteryzowanych, a ich szczegółowy opis rzucić może zupełnie nowe światło na potencjał ogniw paliwowych jako ekologicznego źródła energii.

Źródło: AGH