Strona główna » Badania i nauka » Projekty » NCN »
Węglanowo-tlenowe ogniwo paliwowe
Numer: UMO-2022/45/B/ST5/02450
Program/Konkurs: OPUS 23
Jednostka finansująca: NCN
Kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Tomasz Wejrzanowski
Funkcja: lider
Czas realizacji: 2023-2026
Opis:
Węglanowo-tlenowe ogniwo paliwowe (Carbonate-oxide fuel cell, COFC) to układ łączący najlepsze rozwiązania stosowane w technologiach ogniw wysokotemperaturowych takich jak ogniwa ze stopionym, węglanowym elektrolitem (MCFC) oraz ze stałym elektrolitem tlenkowym (SOFC). Dzięki jednoczesnemu wykorzystaniu elektrolitu płynnego, przewodzącego jony węglanowe oraz stałego, przewodzącego jony tlenowe, zwiększona zostaje wydajność ogniwa przy niższych temperaturach pracy (650°). W ogniwach tego typu można stosować różne paliwa (nie tylko wodór), a elektrody mogą być wykonane z tańszych materiałów katalitycznych np. nikiel.
Cel prowadzonych badań:
Celem projektu jest wytworzenie przy użyciu następujących metod: odlewania z gęstwy, natryskiwanie oraz osadzanie elektroforetyczne elementów ogniwa węglanowo-tlenowego tworzących innowacyjne gradientowe struktury o zwiększonej wydajności oraz ich dokładna charakteryzacja. Badania będą obejmowały opis mikrostrukturalny metodami pośrednimi i bezpośrednimi oraz charakterystykę stabilności układu w tym analizę wydajności i degradacji ogniwa w czasie. Dodatkowym elementem będzie próba skonstruowania modelu teoretycznego wyjaśniającego zwiększone przewodnictwo w układzie łączącym dwa typy elektrolitu zarówno na poziomie atomowym, jak i mikrostrukturalnym. Wnioski z modelowania komputerowego wpłyną na udoskonalenie projektowanej mikrostruktury.
Hipoteza badawcza:
Zaproponowane metody wytwarzania pozwolą na ukształtowanie gradientowych struktur zapewniających ciągłość ścieżek przewodzenia jonów pomiędzy elementami układu oraz zmniejszenie grubości warstwy elektrolitu. Wpłynie to w zasadniczy sposób na ograniczenie oporów przewodzenia zarówno kontaktowych pomiędzy elementami, jak i związanymi z długością drogi poruszania się jonów. Dodatkowo zwiększona zostanie wytrzymałość mechaniczna układu, dzięki zastosowaniu wzmocnienia w postaci pianki niklowej.
Zastosowana metodyka badawcza:
W ramach projektu gradientowa struktura zostanie wytworzona metodą odlewania z gęstwy, natryskiwania oraz osadzania elektroforetycznego, aby sprawdzić, która z nich daje najlepsze efekty. Wytworzone struktury zostaną scharakteryzowane przy użyciu różnych metod badawczych np. skaningowy mikroskop elektronowy, porozymetria czy spektroskopia impedancyjna. Dedykowana aparatura do badań sprawności ogniw umożliwi ocenę jakości oraz stabilności opracowanych elementów ogniwa w rzeczywistych warunkach pracy. Wnioski z modelowania komputerowego wpłyną na udoskonalenie projektowanej mikrostruktury.
Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki:
Wyniki projektu będą miały istotny wpływ na rozwój nauki w takich obszarach jak: energetyka, technologie wodorowe, wytwarzanie oraz charakteryzacji gradientowych materiałów o otwartej porowatości, a w szczególności:
Wytwarzanie:
Zaproponowane metody nie były wcześniej wykorzystywane do wytworzenia porowatych struktur gradientowych w zastosowaniu do ogniw paliwowych, a więc hipoteza charakteryzuje się dużą innowacyjnością.
Charakteryzacja:
Dedykowane stanowisko do przeprowadzania pomiarów sprawności ogniwa daje możliwość wyznaczenia charakterystyk napięciowo-prądowych dla zmiennych obciążeń oraz różnych warunków pracy. Jest to bardzo ważny parametr pozwalający na analizę stosowalności rozwiązania w zastosowaniach komercyjnych, co rzadko jest poruszane w badaniach podstawowych. Badania spektroskopii impedancyjnej dla gradientowych, porowatych struktur, szczególnie do zastosowań w ogniwach paliwowych, jest mało poznanym obszarem, a więc opracowanie technologii pozwalającej na jego wykonanie wpłynie w znaczący sposób na rozwój sposobów charakteryzacji tego typu materiałów. Do opisu ilościowego mikrostruktury zastosowane zostanie oprogramowanie, które stanowi autorskie opracowanie kierownika projektu.
Modelowanie:
Symulacje w skali atomowej oraz na poziomie mikroskopowym posłużą do analizy mechanizmu transportu ładunku zachodzącego w podwójnym elektrolicie, co być może pozwoli rozstrzygnąć toczącą się dyskusję wśród naukowców jakie zjawisko jest odpowiedzialne za zwiększenie wydajności w tego typu ogniwach.