Nowe materiały ceramiczne do budowy elektrod w ogniwach paliwowych

Projekt „Gradient funkcjonalny uzyskany poprzez kluczowe domieszkowanie w katalitycznie aktywnych elektrodach dla ogniw z ceramicznym przewodnikiem protonowym”, o skróconej nazwie FunKeyCat (z jęz. ang. Functional Grading by Key doping in Catalytic electrodes for Proton Ceramic Cells) ma na celu opracowanie nowych materiałów ceramicznych do budowy elektrod stosowanych w ogniwach paliwowych, dzięki którym z paliwa wodorowego można będzie wytwarzać energię elektryczną. Inne ich zastosowanie to konstrukcja elektrolizerów pary wodnej, czyli maszyn wykorzystujących energię elektryczną do separacji pary w czysty wodór i tlen. Fot. Michał Łepecki Oba te urządzenia są kluczowymi elementami tzw. energetyki wodorowej, która w połączeniu z odnawialnymi źródłami energii (OŹE) pozwala stworzyć samowystarczalny system energetyczny. Wykorzystanie elektrolizerów pary wodnej i energii z OŹE do produkcji wodoru pozwala zmagazynować energię, natomiast ogniwa paliwowe mogą zamienić wodór w energię elektryczną zawsze i wszędzie, gdzie jest to potrzebne. Celem projektu FunKeyCat jest poszukiwanie nowych rozwiązań w zakresie materiałów elektrodowych, które uczynią te urządzenia bardziej wydajnymi i przybliżą ich komercjalizację.

Głównym ograniczeniem wysokotemperaturowych ogniw i elektrolizerów z ceramicznym przewodnikiem protonowym, jest brak odpowiednich materiałów na pozytrody, czyli elektrody o dodatnim potencjale elektrycznym. Wymagania stawiane pozytrodom są trudne do spełnienia: muszą to być materiały wytrzymałe mechanicznie, odporne na działanie wysokich temperatur i pary wodnej, dobrze przewodzić aż trzy różne nośniki ładunku – elektrony, jony tlenu i protony, a ponadto muszą być kompatybilne termomechanicznie z pozostałymi elementami ogniwa. Okazuje się, że na chwilę obecną nie udało się opracować takich, które równocześnie spełniałyby te wszystkie wymagania. Niemniej jednak znaleziono wiele materiałów, które spełniają większość wymagań. Strategią przyjętą w projekcie jest zaprojektowanie pozytrody w taki sposób, aby gradientowo zmieniała swój skład chemiczny. Dzięki temu różne fragmenty elektrody będą miały różne właściwości i będą pełniły różne funkcje. W takiej sytuacji to nie jeden materiał musi spełniać wszystkie wymogi stawiane materiałom elektrodowym, ale spełnia je gradientowa pozytroda jako całość.

Fot. Michał Łepecki Kolejnym wyzwaniem jest zwiększenie aktywności katalitycznej (czyli zdolności „przyspieszania” danej reakcji chemicznej, która jest bezpośrednio związana z wydajnością urządzenia) ogniw i elektrolizerów. W ramach projektu FunKeyCat zostaną przeprowadzone prace mające na celu „udekorowanie” powierzchni elektrod nanocząstkami tlenków, które są bardzo aktywne. Nanocząstki zostaną wytworzone metodą exsolution, czyli bezpośredniego wytrącenia z materiału elektrody. Dzięki tej metodzie ilość i wielkość wytworzonych nanocząstek jest kontrolowana, a one same są silnie zakotwiczone, co zapobiega ich degradacji. Co więcej, w przypadku degradacji nanocząstek wytworzonych metodą exsolution możliwa jest ich regeneracja, dlatego elektrody z nanocząstkami exsolution często nazywa się materiałami inteligentnymi lub samoleczącymi się.

FunKeyCat będzie realizowany przez naukowców z czterech różnych instytucji w trzech krajach – Uniwersytetu w Oslo i instytutu SINTEF w Norwegii, instytutu badawczego Hiszpańskiej Narodowej Rady Naukowej (Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, CSIC) w Hiszpanii oraz Politechniki Gdańskiej. Zaplanowany na trzy lata projekt został dofinansowany w ramach europejskiej sieci badawczej M-ERA.NET, której członkiem jest m.in. Narodowe Centrum Nauki.