Nowy materiał, lepsze ogniwa

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%.

ogniwo paliwowe Georgia Tech SOFC ogniwo paliwowe z tlenkiem stałym YSZ BZCYYb