Znajdź zawartość

Na Uniwersytecie Harvarda powstało pierwsze cienkowarstwowe ogniwo paliwowe wyprodukowane w skali makro. Po raz pierwszy udało się skalować ogniwo paliwowe z tlenkiem stałym (SOFC) proporcjonalnie zwiększając moc urządzenia. „Przełomowe znaczenie ma tutaj fakt, że uzyskaliśmy gęstość energetyczną porównywalną do tego, co można uzyskać za pomocą miniaturowych membran, ale tutaj mamy membrany setki razy większe, a to pokazuje, że technologia ta jest skalowalna" - mówi profesor Shriram Ramanathan. W ogniwach z tlenkiem stałym wykorzystywane są obecnie bardzo cienkie membrany. Właśnie dzięki ich niewielkiej grubości jony mogą przechodzić przez membranę, a cały proces odbywa się w stosunkowo niskiej temperaturze. To z kolei pozwala na zmniejszenie rozmiarów ogniwa i wykorzystywanie mniejszej ilości rzadkich materiałów. Problem jednak w tym, że dotychczas odpowiednio cienkie membrany udawało się zaimplementować w bardzo małych SOFC. Do praktycznego zastosowania tego typu ogniw musiałyby być one około 50-krotnie większe. „Jeśli wykonasz w tej skali tradycyjną membranę bez jakiejś struktury podpierającej to nic z tego nie wyjdzie - membrana się porwie. Można takie membrany stworzyć w laboratorium, ale nie można jej nawet ruszyć, natychmiast się drze" - mówi współautor badań, Bo-Kuai Lai. Teraz naukowcy stworzyli membranę, którą wyposażyli w metalową kratownicę. Szczegółowe badania wykazały, że najlepiej sprawdzają się kształty okrągły oraz plaster miodu. Już wcześniej inne zespoły naukowe pracowały nad podobnymi rozwiązaniami, żadnemu jednak nie udało się go zaimplementować bez jednoczesnego spadku gęstości energetycznej. Tymczasem makroogniwa z Harvarda charakteryzują się gęstością rzędu 155 miliwatów na centymetr kwadratowy (przy temperaturze 510 stopni Celsjusza), czyli porównywalną z mikroogniwami. Biorąc pod uwagę fakt, że są większe, mogą zapewnić wystarczającą ilość energii dla urządzeń przenośnych.

Firma Bloom Energy oficjalnie zaprezentowała 100-kilowatowe ogniwa, które mogą być zasilane różnymi rodzajami paliwa. Oferta skierowana jest przede wszystkim do przedsiębiorstw, a przedstawiciele Bloom Energy zapewniają, że inwestycja zwraca się w ciągu 3-5 lat. Ogniwa zasilane są gazem naturalnym i, jak twierdzi KR Sridhar, szef Bloom Energy, emitują o 50% mniej dwutlenku węgla niż energia z konwencjonalnych źródeł. Firma ma już wielu klientów. Z jej urządzeń korzystają m.in. Google, eBay, Coca-Cola, FedEx czy Walmart. W ciągu ostatnich kilku miesięcy wyprodukowały one 11 milionów kilowatogodzin. Korzystanie z elektryczności zapewnianej przez ogniwa Bloom Energy jest tańsze niż zasilanie z tradycyjnej sieci, gdyż urządzenia są wydajne, a energię można produkować na miejscu, bez potrzeby jej dystrybucji na duże odległości. O ogniwach Bloom Energy niewiele wiadomo ponad to, że są to urządzenia z tlenkiem stałym (SOFC). Tego typu ogniwa są bardziej wydajne od swoich wodorowych odpowiedników, mogą pracować na różnych paliwach, jednak są drogie, temperatura ich pracy przekracza 600 stopni Celsjusza i mają problemy ze stabilnością. To jednak nie przeszkodziło wspomnianym wielkim firmom skorzystać z oferty Bloom Energy. Przedsiębiorstwo sprzedaje swoje urządzenia w 100-kilowatowych zestawach, składających się z niewielkich ogniw o mocy 25-watów. Zestaw zajmuje mniej więcej tyle miejsca, co typowe miejsce parkingowe i wystarcza do zasilenia małego sklepu. Wiadomo, że Google zamówiło 400-kilowatowy system, który zasila eksperymentalne centrum bazodanowe, a Walmart zainstalował urządzenia Bloom w dwóch supermarketach, którym zapewniają one od 60 do 80 procent potrzebnej energii. Sridhar mówi, że docelowo jego firma chciałaby wybudować system, który działa w dwie strony. Nie tylko zamienia gaz na energię elektryczną, ale energię na gaz. To pozwoliłoby np. połączyć ogniwa paliwowe z ogniwami słonecznymi i za dnia generować gaz, który byłby używany do produkcji energii w nocy. Jednak na pojawienie się takich urządzeń poczekamy co najmniej 10 lat.

Nowy materiał wynaleziony na Georgia Tech może pomóc w rozpowszechnieniu się ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC). Urządzenia takie są w stanie produkować energię elektryczną z niemal wszystkich płynnych i gazowych substancji, jednak ich poważną wadą jest wysoka temperatura pracy, sięgająca 1000 stopni Celsjusza. Dzięki wysokim temperaturom pracy ogniwa są wydajne i nie wymagają użycia drogiego platynowego katalizatora. Wysokie temperatury zapobiegają też gromadzeniu się na anodzie siarki i węgla z "brudnego" paliwa. W SOFC wykorzystuje się anodę z tlenku cyrkonu stabilizowanego itrem (YSZ) połączonego z metalicznym niklem, a elektrolitem jest również YSZ. Taka budowa ma trzy podstawowe wady. Pierwsza, to olbrzymia wrażliwość na siarkę, która powoduje znaczny spadek wydajności ogniwa, po drugie, osadzający się węgiel z paliw węglowodorowych zaburza prawidłową pracę anody, a trzecia wada to ograniczone przewodnictwo w niskich temperaturach. Wszystko to znacząco podnosi koszty budowy SOFC. Paliwo musi zostać oczyszczone z siarki i konieczne jest przeprowadzenie reformingu parowego, który zamienia węglowodory w tlenek węgla i wodór. Ponadto wysokie temperatury pracy wymagają użycia drogich materiałów. Nowy ceramiczny materiał, z którego zbudowano anodę, został opracowany przez zespół Meilina Liu. Umożliwia pracę SOFC przy znacznie niższych temperaturach bez utraty wydajności i odkładania się siarki oraz węgla. BZCYYb (bar-cyrkon-cer-itr-tlenek iterbu), bo o nim mowa, może być używany w bardzo różny sposób. Można nim pokryć tradycyjną anodę Ni-YSZ, zastąpić nim YSZ w anodzie lub też w elektrolicie. Zdaniem profesora Liu, najbardziej opłacalne są dwa pierwsze rozwiązania. Dotychczasowe testy trwały 1000 godzin i wykazały, że BZCYYb zapewnia stałą, wysoką wydajność ogniwa. Konieczne jest jednak udowodnienie, że nowy materiał może bez przeszkód pracować przez pięć lat. Na tyle bowiem oblicza się żywotność obecnych ogniw SOFC. Co więcej, profesor Liu mówi, że z jego produkcją i jej skalowaniem nie powinno być najmniejszych kłopotów. BZCYYb powstaje podczas standardowych reakcji, a sposób jego tworzenia się jest w pełni zrozumiały. Uczeni nie wiedzą za to, dlaczego nowemu materiałowi nie szkodzą siarka i węgiel. Spekulują, że reakcja katalityczna jest w jego przypadku bardziej intensywna i dochodzi podczas niej zarówno do utlenienia siarki jak i do krakowania i reformowania węglowodorów. Nowy materiał charakteryzuje również dobre przewodnictwo w niskich temperaturach. Jeśli będziemy mogli obniżyć temperatury pracy do 500-600 stopni Celsjusza, moglibyśmy użyć tańszych metali do wykonania połączeń. Obniżenie temperatury do 300-400 stopni umożliwiłoby wykorzystanie znacznie tańszych materiałów na obudowy, co znacząco obniżyłoby koszty samych ogniw - mówi profesor Liu. Obecnie badania nad ogniwami SOFC są znacznie mniej zaawansowane niż nad innymi typami ogniw. Profesor Liu uważa jednak, że to właśnie SOFC podbiją rynek. Nie wymagają one bowiem wykorzystania metali szlachetnych i, po wyposażeniu w systemy odzyskiwania ciepła odpadowego, mogą osiągać wydajność nawet 80%.