Nanowłókniste katody wzmacniają ogniwa paliwowe
Stałotlenkowe ogniwa paliwowe (SOFC) to nowoczesna technologia wytwarzania czystej energii. Naukowcy z AGH w Krakowie wraz z zespołami z Danii i Chin opracowali rozwiązanie zwiększające sprawność i trwałość ogniw dzięki mikrododatkom NTE i nanoFwłóknistej katodzie. W artykule opisujemy działanie tej technologii, jej korzyści i perspektywy rynkowe.
Mikrododatki NTE w stałotlenkowych ogniwach paliwowych – innowacja z AGH
Mikrododatek materiału o ujemnej rozszerzalności cieplnej (NTE) oraz nanowłóknista budowa katody znacząco podnoszą sprawność i trwałość stałotlenkowych ogniw paliwowych. Nowatorski pomysł powstał na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a w pracach brały udział także zespoły z Danii i Chin.
Czym są stałotlenkowe ogniwa paliwowe (SOFC)?
Czym są stałotlenkowe ogniwa paliwowe (Solid Oxide Fuel Cell)? W największym skrócie to wysokotemperaturowe elektrochemiczne elektrownie w miniaturze. Zamiast spalać paliwo za pomocą płomienia, prowadzą reakcje na powierzchni dwóch elektrod, oddzielonych ceramicznym elektrolitem. Dzięki temu zamieniają energię chemiczną bezpośrednio w prąd, z wysoką sprawnością i niską emisją.
Problem różnej rozszerzalności materiałów w ogniwach
Mają jednak swoją piętę achillesową – pracują w bardzo wysokich temperaturach (setki stopni Celsjusza), a różne warstwy urządzenia rozszerzają się w różnym tempie. Przy każdym rozruchu i wychładzaniu ta niedopasowana rozszerzalność powoduje naprężenia, mikropęknięcia i spadki wydajności, szczególnie na styku katody z elektrolitem.
Jak NTE i nanowłókna poprawiają sprawność katody
Naukowcy proponują rozwiązanie zaskakująco proste w idei: do materiału katody dodają niewielką porcję substancji, która kurczy się, gdy rośnie temperatura (to właśnie NTE – negative thermal expansion). W efekcie jedna część elektrody ciągnie, a druga odpuszcza i całość lepiej dopasowuje się do pracy elektrolitu.
Geometria nanowłóknista katody – więcej powierzchni reakcji
Drugi aspekt sukcesu to geometria – katodę formuje się w postaci gęstej maty nanowłókien (elektroprzędzenie), co tworzy tkaninę cienkich nitek o ogromnej powierzchni reakcji i dobrych ścieżkach transportu tlenu.
Efekty zastosowania NTE – wydajność i trwałość
Korzyści są mierzalne. W temperaturze około 800 st. C katody z domieszką NTE notują ponad 50-procentowy spadek oporu polaryzacyjnego względem materiału wyjściowego, a pojedyncze ogniwo osiąga około 0,85 W na centymetr kwadratowy mocy szczytowej – to wzrost rzędu 40 proc. Co równie ważne, niedopasowanie rozszerzalności między katodą a elektrolitem spada istotnie (z poziomu sięgającego kilkudziesięciu procent do wartości bliskich zeru), co ogranicza ryzyko pękania przy cyklach grzania i studzenia. Innymi słowy: ogniwo działa sprawniej i dłużej.
Analiza struktury i mechanizmu działania
Zespół w swojej pracy, opublikowanej w „Applied Catalysis B: Environment and Energy” (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125950), wyjaśnia także, skąd bierze się to niezwykłe zachowanie cieplne. Analiza widmowa pokazuje zmiany drgań sieci krystalicznej wraz z temperaturą, a obliczenia teoretyczne wskazują, że taki dodatek stabilizuje strukturę i sprzyja transportowi tlenu w warunkach pracy. To ważne, bo dzięki tym analizom otrzymujemy przepis projektowy: dobrać porcję NTE tak, by równoważyła termiczne puchnięcie katody i jednocześnie nie gasiła jej aktywności.
Skalowalność technologii i potencjalne zastosowania
Połączenie krawiectwa termicznego (kompensacja rozszerzalności) z architekturą w skali nano (nanowłókna) jest atrakcyjne także pod względem technologicznym, ponieważ metodę tę da się skalować. Nie wymaga ona egzotycznych składników, a pracuje dokładnie tam, gdzie ogniwa paliwowe potrzebują wsparcia — na styku materiałów. Zastosowania takich mikroelektrowni są szerokie: od ciepłowni, szpitali, aż do zakładów przemysłowych czy transportu.
Stałotlenkowe ogniwa paliwowe – niskoemisyjne źródło energii
Stałotlenkowe ogniwa paliwowe zalicza się do niskoemisyjnych źródeł energii, ponieważ wytwarzają prąd elektrochemicznie (bez płomienia), co ogranicza typowe zanieczyszczenia powietrza (NOx, SOx), a przy zasilaniu wodorem lub biogazem pozwala na bardzo czystą pracę. Nawet przy użyciu gazu ziemnego jako paliwa, ilość powstającego dwutlenku węgla jest dużo niższa niż w klasycznych generatorach, a dodatkowo możliwy jest odzysk ciepła w kogeneracji.
Rynek i produkcja ogniw SOFC w Polsce i na świecie
Na rynku komercyjną produkcją takich ogniw już dziś zajmuje się m.in. firma Bloom Energy w USA, Kyocera w Japonii czy SolydEra oraz Elcogen w Europie. W Polsce pojawiają się pierwsze inicjatywy wytwórcze – firma HydrogenTech z Krakowa komercyjnie produkuje ogniwa stałotlenkowe i oferuje zaplecze testowe dla projektów wodorowych, zaś laboratoryjne ogniwa wytwarzane są w Instytucie Energetyki – Państwowym Instytucie Badawczym.
Źródło informacji: naukawpolsce.pl
Przeczytaj także: Liczba operacji z udziałem robotów chirurgicznych w Polsce dynamicznie rośnie. Potrzeby są znacznie większe
Last Updated on 20 października, 2025 by Katarzyna Zawadzka