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.

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%.

Jacobo Santamaría Sánchez-Barriga i jego zespół z madryckiego Universidad Complutense, tak zmodyfikowali elektrolit wykorzystywany w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem, że pracuje one w temperaturze o kilkaset stopni niższej niż dotychczas. To z kolei ułatwia stosowanie takiego rozwiązania. Standardowo ogniwa ze stałym tlenkiem pracują w temperaturach 600-1000 stopni Celsjusza. Najpowszechniej używanym w nich elektrolitem jest tlenek cyrkonu stabilizowany tlenkiem itru. Do pracy wymaga jednak temperatur powyżej 700 stopni Celsjusza. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem mogą być w przyszłości wartościowymi źródłami energii, jednak wysokie temperatury ich pracy czynią je bardzo drogimi i ograniczają zakres użycia. Dlatego też Eric Wachsman, dyrektor Florydzkiego Instytutu Energii Zrównoważonej Gospodarkii Energią, nazwał prace hiszpańskich naukowców gigantycznym udoskonaleniem tego typu ogniw. W ogniwach ze stałym tlenkiem do jednej z elektrod dostarczany jest tlen, do drugiej paliwo. Elektrolit umożliwia przepływ jonów tlenu do elektrody z paliwem. Jeśli np. paliwem jest wodór, to w efekcie powstaje woda i zostają uwolnione elektrony. Elektrolit wymusza na elektronach ruch do zewnętrznego obwodu elektrycznego, w którym powstaje energia. Po jakimś czasie elektrony trafiają z niego do elektrody z tlenem. Tam, wskutek ich działania, uwalniane są jony tlenu i cały cykl się powtarza. Problem w tym, że efektywność pracy elektrolitu, a dokładniej jego przewodność jonowa, zależy od temperatury. Santamaria zauważył, że można ją znacznie zwiększyć w niskich temperaturach, jeśli standardowy elektrolit zostanie poprzedzielany 10-nanometrowymi warstwami tytanianu strontu (SrTiO3). Okazało się, że takie rozwiązanie aż o 100 milionów razy zwiększa przewodność jonową elektrolitu w temperaturze pokojowej. Wachsman informuje, że ulepszone przez Hiszpanów ogniwa paliwowe nieprędko trafią na rynek. Przede wszystkim należy zweryfikować pomiary, a te jest bardzo trudno wykonać na materiałach o tak niewielkiej grubości jak wspomniana warstwa SrTiO3. Zastosowanie nowego elektrolitu też wymaga przeprojektowania ogniw paliwowych. W końcu, zmniejszenie temperatury elektrolitu wpłynie na pracę samych elektrod, a więc i one muszą zostać odpowiednio ulepszone.