O projekcie

Spis treści:

Jaki jest cel projektu?

Celem projektu jest opracowanie i produkcja nowego typu stosu stałotlenkowych ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe służą do bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliwa w energię elektryczną. Bezpośrednia konwersja oznacza, że ogniwo paliwowe ma bardzo wysoką sprawność. Wysoka sprawność to mniejsze zużycie paliwa, mniejsze zużycie materiałów oraz mniej zanieczyszczeń wprowadzanych do środowiska. Ukoronowaniem koncepcji ogniw paliwowych są tlenkowe ogniwa paliwowe typu SOFC (z ang. Solid Oxide Fuel Cell).

Ogniwa te ze względu na wysoką temperaturę pracy oraz przewodzący jony tlenu elektrolit mogą utleniać jako paliwo mieszaninę wodór i tlenku węgla otrzymaną w wyniku procesu reformingu gazu zmiennego. Typowe ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod; anody i katody, oddzielonych stałotlenkowym elektrolitem. Podczas produkcji takich ogniw największym problemem jest spiekanie elektrod o dużej powierzchni.

Stosowane obecnie w instalacjach pilotowych ogniwa posiadają często powierzchnie przekraczającą 50 cm2. Spiekanie cienkich kompozytów metalowo-ceramicznych o takiej powierzchni jest bardzo kłopotliwe. Wymagane są bardzo duże piece o równomiernym rozkładzie temperatury oraz odpowiednia metoda spiekania, która jest najczęściej tajemnicą producenta.

Dodatkowo ogniwo o znacznej powierzchni narażone jest podczas pracy na duże gradienty temperatury, które mogą doprowadzić do uszkodzenia ogniwa wskutek naprężeń termicznych. Pojedyncze ogniwa zapewnia bardzo małe napięcie rzędu 1 V dlatego też ogniwa łączy się w stosy. W stosie ogniw paliwowych pomiędzy ciężkimi ogniwami, przepuszczane są na zmianę utleniacz (najczęściej powietrze) oraz paliwo (wodór lub gaz ziemny). Powoduje to bardzo duże trudności w uszczelnianiu takiego układu. Proponowany projekt stosu ogniwa rozwiązuje wszystkie z wyżej wymienionych problemów.
Do góry

Co stanowi innowacyjność projektu?

Jest to pierwszy tego typu stos na świecie. Stos zaprojektowany jest w ten sposób aby był łatwy w produkcji i łatwy do uszczelniania. Wady wynikające z prostoty konstrukcyjnej stosu, rekompensowane są zorientowanym na mikrostrukturę materiału procesem produkcyjnym. W proponowanym projekcie mikrostruktura jest „szyta na miarę”, tak aby sprostać konkretnym wymaganiom ogniwa zależnym od lokalizacji w stosie jak również lokalizacji pojedynczym ogniwie.

Projektowanie zorientowane na mikrostrukturę stało się możliwie dzięki rozwojowi technik pomiarowych, takich jak tomografia elektronowa FIB-SEM. W badaniach tych skaningowy mikroskop jonowy (z ang. tzw. FIB) tnie fragment badanej próbki na 200-300 plasterków, które są kolejno skanowane za pomocą mikroskopu skaningowego (z ang. tzw. SEM). Zebrane zdjęcia SEM są następnie używane do opracowania w pełni trójwymiarowej rekonstrukcji mikrostruktury. Technologia użyta do badań SOFC po raz pierwszy w 2006 roku, przyniosła nieznane dotąd możliwości poznawcze w dziedzinie badań ogniw oraz materiałów.

Do dziś tylko kilka ośrodków na świecie potrafi prawidłowo przeprowadzić analizy ilościowe mikrostruktury materiału porowatego. Nowatorskie są również proponowane wieloskalowe obliczenia numeryczne, uwzględniające zarówno zjawiska w skali mikro jak i makro oraz ich wzajemną interakcje. Symulacja oprócz wartości projektowych, posiada również bardzo istotne znaczenie poznawcze fundamentalnych zjawisk zachodzących w stosie.
Do góry

Co w ramach projektu zostanie osiągnięte. Jakie zastosowania mogą mieć wyniki projektu?

Tanie i łatwe w produkcji ogniwa paliwowe typu SOFC mogą przynieść rewolucję w zasilaniu polskich gospodarstw domowych. Jest to energia bardzo czysta. Jedynymi spalinami w przypadku zasilania ogniwa gazem ziemnym są dwutlenek węgla oraz para wodna. Ogniwo spełnia również funkcje grzewcze. Instalacja o mocy 1 kWe energii elektrycznej, produkuje równolegle 700 W energii cieplnej, która może zostać zużyta do ogrzewania wody a także domu.

W przeciwieństwie do klasycznej elektrowni, ogniwo paliwowe jest wstanie reagować w sposób dynamiczny na zapotrzebowanie w energię. Oznacza to, że ogniwo może wytwarzać energię elektryczną dokładnie o czasie i w ilości jaka jest potrzebna. Może stanowić część systemu wraz z panelami słonecznymi lub gruntowym wymiennikiem ciepła.

Wprowadzenie na rynek ogniw paliwowych generujących energię elektryczną przy użyciu gazu ziemnego, spowoduje wzrost konkurencji pomiędzy firmami energetycznymi a gazowymi. Tlenkowe ogniwa paliwowe mogą być połączone z zgazowaniem węgla, pozwalając na niezwykle efektywne wykorzystanie tego surowca.

W tej koncepcji, znanej jako IGFC (z ang. Integrated Gasification Fuel Cell cycle), gaz syntezowy pochodzący ze zgazowania węgla utleniany jest w ogniwach paliwowych, następnie pozostałości gazu kierowane są na turbinę gazową. Gazy wylotowe mają na tyle wysoką temperaturę, iż służą do produkcji pary wodnej zasilającej turbinę parową. Taki potrójny cykl może osiągać sprawność 60% (gazyfikacja węgla) lub 70% (gaz ziemny).
Do góry