Program/Konkurs: Preludium 
Jednostka finansująca: NCN
Kierownik projektu: mgr inż. Gabriela Komorowska
Czas realizacji: 16.01.2025-15.01.2028

Na początku XX wieku ludzkość stanęła przed dużą ilością nowych wyzwań, między innymi  zmianami klimatycznymi czy ograniczoną dostępnością zasobów. Ważną kwestia łączącą te dwa zagadnienia jest ciągle rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną. W związku z tym co raz  szerzej badane są takie aspekty jak niekonwencjonalne źródła energii czy jej rozproszona generacja.  Jednym z bardzo obiecujących ścieżek rozwoju jest gospodarowanie wodorem.

Urządzeniami służącymi do produkcji energii elektrycznej z wodoru są ogniwa paliwowe. Wyróżnia się wiele ich  rodzajów, które zazwyczaj dzielone są ze względu na temperaturę pracy. Niskotemperaturowe  stosowane są w zastosowaniach mobilnych np. samochodach, a wysokotemperaturowe jako  stacjonarne generatory energii. Niniejszy projekt skupia się na drugim z wymienionych typów ogniw.  Każde z nich składa się z trzech elementów: katody, elektrolitu i anody. Na katodzie dochodzi do  redukcji tlenu, powstania ładunku elektrycznego transportowanego zewnętrznym obwodem  elektrycznym oraz utworzenia jonów poruszających się przez elektrolit w kierunku anody. Na  ujemnej elektrodzie dochodzi do utlenienia wodoru i jego połączenia z dostarczonymi jonami i  elektronami, co prowadzi do powstania wody. Urządzenia te charakteryzują się szeregiem zalet, które  wyróżniają je na tle konwencjonalnych rozwiązań. Przede wszystkim nie emitują gazów  cieplarnianych, dzięki czemu pomagają w walce ze zmianami klimatu. Nie zawierają ruchomych  elementów, co pozwala na bardzo cichą pracę, a co najważniejsze odznaczają się bardzo wysokimi  sprawnościami i możliwością pracy w systemie kogeneracji.  W węglanowym wysokotemperaturowym ogniwie paliwowym (z ang. molten carbonate fuel  cell – MCFC) najwolniejsze rekcje, które determinują wydajność całego układu zachodzą na  powierzchni katody.

W związku z tym optymalizacja tej elektrody jest kluczowa w podniesieniu  efektywności ogniwa paliwowego. Optymalizację elektrody dodatniej można prowadzić w dwóch  kierunkach – składu chemicznego oraz mikrostruktury. Istnieje wiele badań opisujących pierwsze z  zagadnień, lecz w przypadku drugiego badania są niewystarczające jak na drzemiący w nich potencjał  zwiększenia wydajności ogniwa. Standardowa katoda ma strukturę porowatą powstałą w wyniki  spiekania proszku bazowego, najczęściej niklowego. Jak wynika z przeprowadzonych badań dodatek  sferycznych poroforów, czyli substancji wypalanych podczas procesu termicznego i  pozostawiających po sobie puste przestrzenie w strukturze katody wpływa na zwiększenie  powierzchni właściwej, krętości porów i innych parametrów, a w efekcie pozwala na zwiększenie  gęstości mocy w ogniwie. Skoro udział oraz rozkład wielkości sferycznych cząstek poroforu w  katodzie jest kluczowy w przesuwaniu poprzeczki osiąganych wydajności całego ogniwa  optymalizacja innych parametrów porów także pozwoli na ulepszenie tego urządzenia. 

Celem niniejszego projektu jest zbadania wpływu kształtu oraz udziału cząstek poroforu  wykorzystywanego do formowania mikrostruktury katody na właściwości materiału, a w efekcie na  wydajność węglanowego ogniwa paliwowego. Podczas planowanych badań zostaną przeprowadzone  próby zarówno wykorzystujące sfery jak i inne kształty takie jak płatki czy włókna w różnych  wariacjach udziału i wielkości. Tak innowacyjne i kompleksowe podejście do zagadnienia  kształtowania mikrostruktury porów pozwoli na porównanie wyników dla wszystkich kombinacji i  określenie wpływu poszczególnych parametrów na osiągane wyniki. Analiza zależności  mikrostruktura porowata a właściwości aplikacyjne zostanie przeprowadzona na podstawie szeregu  badań charakteryzujących mikrostrukturę (skaningowa mikroskopia elektronowa, porozymetria  gazowa i rtęciowa, mikrotomografia komputerowa) oraz właściwości (badania wytrzymałościowe,  spektroskopia impedancyjna i badania wydajnościowe). Na podstawie przygotowanych z  mikrotomografii komputerowych modeli 3D mikrostruktury zostaną przeprowadzone symulacje  komputerowe właściwości mające na celu jeszcze lepsze zrozumienie analizowanych aspektów.