Rewolucja w stałotlenkowych ogniwach paliwowych
Stałotlenkowe ogniwa paliwowe (SOFC) od lat fascynują specjalistów ze względu na swoją wysoką wydajność w bezpośredniej konwersji wodoru na energię elektryczną. Problemem zawsze pozostawały jednak wspomniane już wysokie temperatury pracy, które znacząco podnosiły koszty produkcji i utrzymania. Zespół z Uniwersytetu Kiusiu opracował nową klasę materiałów ceramicznych, które radykalnie zmieniają dotychczasowe parametry. Badacze skupili się na tlenkach perowskitowych – cynianie baru i tytanianie baru – które poddali głębokiej modyfikacji poprzez wprowadzenie rekordowych ilości skandu. Ten pierwiastek znacząco zmienia właściwości przewodzące materiału.
Obniżenie temperatury pracy do 300°C drastycznie zredukowałoby koszty materiałów i otworzyłoby drzwi do systemów na poziomie konsumenckim – wyjaśnia Yoshihiro Yamazaki,
Dotychczas żaden materiał ceramiczny nie był w stanie zapewnić wystarczającego przewodnictwa protonowego w tak relatywnie niskich temperaturach. Kluczowym wyzwaniem było jednoczesne zwiększenie liczby nośników ładunku i zapewnienie im swobody ruchu w strukturze krystalicznej.
Mechanizm działania nowego elektrolitu
Działanie nowych materiałów można porównać do stworzenia wydzielonych dróg dla ruchu protonów. Atomy skandu formują w strukturze krystalicznej tzw. „autostrady ScO₆”, czyli uporządkowane ścieżki umożliwiające swobodne przemieszczanie się protonów. Wyniki pomiarów są imponujące. Materiał oznaczony jako BaSn₀.₃Sc₀.₇O₃–δ osiągnął przewodnictwo protonowe przekraczające 0,01 S/cm w temperaturze 300 stopni Celsjusza. To wartość porównywalna z obecnie stosowanymi elektrolitami, które jednak wymagają pracy w zakresie 600-700 stopni. Zwiększenie zawartości skandu z 20% do 70% przyniosło dziesięciokrotny wzrost przewodnictwa.
Dodawanie domieszek chemicznych może zwiększyć liczbę ruchomych protonów przechodzących przez elektrolit, ale zazwyczaj zatyka sieć krystaliczną, spowalniając protony. Szukaliśmy kryształów tlenkowych, które mogłyby pomieścić wiele protonów i pozwolić im swobodnie się poruszać – równowaga, którą nasze nowe badanie w końcu osiągnęło – podkreśla Yamazaki
Decydującą rolę odegrała elastyczność sieci krystalicznej. Cynian baru i tytanian baru wykazują większą wewnętrzną plastyczność niż konwencjonalne materiały stosowane w SOFC. Ta właściwość pozwala na wbudowanie znacznie większej ilości skandu niż początkowo zakładano. Symulacje komputerowe pokazały, że protony przemieszczają się wzdłuż oktaedrów ScO₆ przy bardzo niskiej barierze energetycznej, unikając typowych problemów występujących wcześniejszych materiałach.
Trwałość i potencjalne zastosowania
Sama wydajność to nie wszystko, gdyż kluczowa jest również trwałość nowych rozwiązań. Naukowcy poddali elektrolity testom w ekstremalnych warunkach, wystawiając je na działanie stężenia dwutlenku węgla 2450 razy wyższego niż w normalnej atmosferze, przy temperaturze 300 stopni. Materiał zachował stabilność, a ekstrapolacja danych sugeruje, iż takie warunki odpowiadają ponad stuletniej ekspozycji na typowe warunki atmosferyczne. To dobry znak dla komercyjnych zastosowań technologii. Opisane rozwiązanie może znaleźć zastosowanie także w innych obszarach, takich jak niskotemperaturowe elektrolizery do produkcji wodoru, pompy wodorowe czy reaktory przekształcające dwutlenek węgla w wartościowe związki chemiczne.
Czytaj też: Chińska megaplatforma przetrwa cyklon i wybuch jądrowy. Metamateriały czynią ją praktycznie niezniszczalną
Warto jednak pamiętać o ograniczeniach technologii wodorowych. Standardowe systemy ogniw paliwowych osiągają sprawność na poziomie około 40%, podczas gdy akumulatory litowo-jonowe przekraczają 80%. To sprawia, że wodór nadaje się głównie do zastosowań specjalistycznych, gdzie kluczowe są gęstość energii i szybkość tankowania. Obniżenie temperatury pracy do 300 stopni to znaczący krok w kierunku upowszechnienia energii wodorowej. Tańsze materiały, prostsze systemy oraz niższe koszty eksploatacji tworzą zupełnie nową perspektywę ekonomiczną.