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 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+δ 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+δ). 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.