Laboratorium Wysokotemperaturowych Ogniw Paliwowych

Laboratorium Wysokotemperaturowych Ogniw
Paliwowych SOFC-LAB
Pawilon C-5, lokale 402 i 403
Technologia ogniw paliwowych, ze względu na wysoką efektywność konwersji energii chemicznej paliwa
i utleniacza bezpośrednio w energię elektryczną należy do jednych z najbardziej obiecujących i prężnie
rozwijających się nowoczesnych technologii energetycznych. Badania nad materiałami stosowanymi w
ogniwach paliwowych oraz pomiary właściwości użytkowych ogniw są kluczowymi zarówno z
poznawczego jak i aplikacyjnego punktu widzenia.
W Laboratorium Wysokotemperaturowych Ogniw Paliwowych (SOFC-LAB) prowadzone będą prace nad
syntezą funkcjonalnych materiałów dla wysokotemperaturowych ogniw paliwowych. Otrzymywane będą na
skalę laboratoryjną mikro- i nanomateriały o zróżnicowanych właściwościach i zastosowaniach: elektrolity i
membrany o wysokim przewodnictwie jonów tlenu i protonów, ceramiczne materiały o mieszanym
przewodnictwie jonowo-elektronowym oraz funkcjonalne materiały kompozytowe. Syntezy będą
prowadzone w taki sposób, aby uzyskać materiały o zadanym składzie chemicznym i kontrolowanej
morfologii, optymalnej z punktu widzenia planowanego zastosowania. Planowana aparatura umożliwi
zastosowanie zarówno niskotemperaturowych metod typu "soft chemistry", wspomaganych ciśnieniowo
wysokotemperaturowych reakcji w fazie stałej, jak i tradycyjnych metod wysokotemperaturowych. Podczas
prowadzonych prac nacisk będzie kładziony na możliwość łatwego powiększania skali opracowywanych
technik syntezy, niski koszt procesu oraz aspekty związane z dbałością o środowisko naturalne.
Laboratorium zostanie wyposażone w stanowisko do pomiarów elektrochemicznych
wysokotemperaturowych ogniw paliwowych oraz innych typów ogniw paliwowych w szerokim zakresie
generowanych mocy. Stanowisko to będzie wyposażone w piec rurowy o temperaturze pracy do 1000°C,
kontrolery przepływu gazów do zasilania ogniwa, specjalistyczny uchwyt pomiarowy umożliwiający
zamocowanie ogniwa w piecu oraz doprowadzenie paliwa i utleniacza do anody i katody oraz zestaw
komputerowo sterowanych analizatorów elektrochemicznych. Wśród mierzonych charakterystyk znajdą się
krzywe napięcie-gęstość prądu oraz gęstość mocy-gęstość prądu, pomiar nadnapięcia pracującego ogniwa z
rozdzieleniem polaryzacji na poszczególne składowe techniką spektroskopii impedancyjnej.
Projekty badawcze planowane do realizacji
1.Nowe materiały dla stałotlenkowych ogniw paliwowych IT-SOFC
Ogniwa paliwowe są urządzeniami pozwalającymi na wytwarzanie energii elektrycznej wykorzystując
energię chemiczną zgromadzoną w dostarczanych w sposób ciągły paliwie i utleniaczu. Ze względu na
bezpośrednią, elektrochemiczną konwersję substratów w produkty efektywność całego procesu jest
znacznie wyższa niż może to mieć miejsce w tradycyjnych silnikach spalinowych lub turbinach. W
energię chemiczną zgromadzoną w dostarczanych w sposób ciągły paliwie i utleniaczu. Ze względu na
bezpośrednią, elektrochemiczną konwersję substratów w produkty efektywność całego procesu jest
znacznie wyższa niż może to mieć miejsce w tradycyjnych silnikach spalinowych lub turbinach. W
przypadku stałotlenkowych wysokotemperaturowych ogniw paliwowych (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell)
dodatkowymi zaletami jest możliwość wykorzystania łatwo dostępnych węglowodorów, niewrażliwość na
zatrucie elektrod CO i pewna tolerancja H2S oraz brak konieczności stosowania metali szlachetnych jako
elektrod. Zagadnienia materiałowe związane z doborem i opracowaniem nowych materiałów elektrodowych
i elektrolitów w tej grupie ogniw odgrywają pierwszorzędną rolę. Projektowanie i modelowanie
właściwości użytkowych materiałów tlenkowych dla ogniw paliwowych SOFC wymaga gruntownej
znajomości fizykochemii związków niestechiometrycznych, struktury defektów jonowych i elektronowych
związanych z odstępstwem od składu stechiometrycznego, właściwości transportowych i mechanizmów
transportu ładunku. Zgromadzone w grupie prof. J. Molendy doświadczenia pozwalają na określenie tej
niezmiernie ważnej relacji.
W ramach projektu badawczego planowane jest opracowanie funkcjonalnych materiałów: katodowego,
elektrolitu i anodowego dla stałotlenkowych ogniw paliwowych pracujących w zakresie temperatur 600 –
800°C (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell – IT-SOFC). Planuje się prace badawcze dotyczące
elektrolitu stałego przewodzącego jony tlenu lub protony na bazie CeO2 lub tlenków o strukturze
perowskitu, materiału katodowego na bazie tlenków La1-xSrxMO3-y (M = Mn, Fe, Co, Ni) o mieszanym
przewodnictwie jonowo-elektronowym oraz anod odpornych na zatrucie H2S. Aktywność katalityczna
materiału katodowego to zagadnienie niezmiernie ważne, gdyż badania wykazują, iż czynnikiem
limitującym efektywność elektrochemiczną ogniw SOFC jest kinetyka reakcji katodowej (redukcja tlenu) i
procesy polaryzacyjne na granicy faz elektrolit/materiał katodowy. Katalityczny proces redukcji tlenu na
perowskitach jest ciągle poznany w stopniu niedostatecznym. Wiadomo, iż szybkość adsorpcji tlenu na
materiale katodowym zależy od występującego w nim stężenia wakancji tlenowych i quasi-swobodnych
elektronów. Prowadzone będą prace dotyczące syntezy materiałów w formie litej oraz cienkowarstwowej,
badanie właściwości fizykochemicznych oraz pomiary elektrochemiczne pracujących ogniw.
2.Magazynowanie tlenu w tlenkach perowskitowych
Proponowane badania dotyczą projektowania, syntezy, charakteryzacji oraz optymalizacji nowych
materiałów należących do grupy tlenków na bazie BaYMn2O5+? podstawianych metalami w podsieci Ba,
Y oraz Mn, dla zastosowania w technologii magazynowania tlenu i katalizy redoks. Celem naukowym
projektu jest znalezienie korelacji pomiędzy składem chemicznym, strukturą krystaliczną, zdolnością do
magazynowania tlenu i aktywnością katalityczną konwersji CO, CHx i NOx dla materiałów o strukturze
perowskitu podwójnego (podstawiane BaYMn2O5+?). Precyzyjne pomiary właściwości strukturalnych,
między innymi techniką in situ XRD w wysokich temperaturach, badania XPS, spektroskopia w
podczerwieni, pomiary termograwimetryczne i kalorymetryczne oraz dylatometryczne, a także obserwacje
SEM oraz TEM wykonane na zredukowanych i utlenionych materiałach pozwolą na określenie
mechanizmu procesu oddawania / przyjmowania tlenu do struktury materiałów magazynujących.
Optymalizacja składu chemicznego i mikrostruktury pozwoli na otrzymanie związku charakteryzującego się
dobrymi właściwościami katalitycznymi i dużą zdolnością do magazynowania tlenu, czyli cechami
odpowiednimi do zastosowań komercyjnych. Proponowany projekt wniesie ważny wkład w zrozumienie
mechanizmów reakcji z tlenem materiałów o strukturze perowskitu zarówno od strony poznawczej jak i
aplikacyjnej oraz pozwoli na określenie właściwości słabo dotychczas poznanych i przebadanych
perowskitów podwójnych z warstwowym uporządkowaniem kationów w podsieci A. Interdyscyplinarne
podejście oraz kompleksowe badania podstawowych właściwości strukturalnych, mikrostrukturalnych i
katalitycznych pozwolą na osiągnięcie zaplanowanych celów naukowo-badawczych.
Użytkownicy laboratorium
prof. dr hab. Janina Molenda
tel. 12 617 25-22
tel. 12 617 20-26
tel. 785-064-707
e-mail: [email protected]
Miejsce pracy:
WEiP, Katedra Energetyki Wodorowej, H-B3-B4, II, 243