Biuletyn AGH
Magazyn Informacyjny Akademii Górniczo-Hutniczej
23 lipiec 2019
Strona GłównaBiuletyn AGHArchiwumKontakt
Energetyka w mikroskali

Ogniwa paliwowe mogą w niedalekiej przyszłości zrewolucjonizować rynek produkcji energii. Są to urządzenia generujące prąd elektryczny w wyniku reakcji elektrochemicznego utleniania dostarczanego z zewnątrz paliwa. Bezpośrednia konwersja energii chemicznej paliwa w energię elektryczną przekłada się na wysoką sprawność, co z kolei oznacza mniejszą ilość zanieczyszczeń uwalnianych do atmosfery. Ukoronowaniem koncepcji ogniw paliwowych są stałotlenkowe ogniwa paliwowe typu SOFC. Nad rozwojem tego typu technologii pracuje Interdyscyplinarny Zespół Badań nad Technologiami Ogniw Paliwowych przy Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH.

Kurczące się zasoby kopalnych surowców energetycznych sprawiają, iż dostępność do energii ograniczona jest zamożnością danego kraju oraz sytuacją polityczną świata. Kluczowym wyzwaniem globalnym jest więc zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Według prognoz ekonomicznych, ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny i brunatny pozostaną podstawowymi nośnikami energii przez okres co najmniej kilkudziesięciu lat zarówno dla Polski, jak i dla świata. Alternatywne rozwiązania, obejmujące technologie takie jak energetyka jądrowa, czy odnawialne źródła energii, wywołują niepokoje społeczne bądź silnie zależą od lokalnych uwarunkowań środowiskowych i klimatycznych. Z tego względu niezbędny jest rozwój badań naukowych skoncentrowanych na podnoszeniu efektywności energetycznej oraz wprowadzenie działań skierowanych na wzrost świadomości energetycznej społeczeństwa. Przykładem może być rozwój energetyki rozproszonej, gdzie zamiast pieców gazowych stosuje się stosy ogniw paliwowych typu SOFC, które oprócz ciepłej wody produkują energię elektryczną.

Stosy ogniw paliwowych SOFC zachowują wysoką sprawność niezależnie od wielkości systemu, co czyni je atrakcyjnymi źródłami zasilania dla domów, szpitali, czy zakładów produkcyjnych. Przykładem takiego rozwiązania jest system ogniw paliwowych firmy ENE-FARM, który został przedstawiony na ilustracji 1. Sprawność elektryczna tego układu to 46.5 proc., a całkowita sprawność cieplna kogeneracji to 95 proc.1. Dodatkowo jest to układ hybrydowy połączony z panelami słonecznymi, w którym produkcja energii elektrycznej przez ogniwo paliwowe uzależniona jest od warunków atmosferycznych. Ogniwa paliwowe można łączyć w stosy, a te w klastry tworząc średniej wielkości systemy o mocy pomiędzy 250kW a 1000kW. Systemy takie połączone są z mikro turbiną gazową osiągając sprawność ponad 55 proc. i są testowane w kilku ośrodkach badawczo-rozwojowych2. Natomiast systemy „trzeciej”, najnowszej, generacji mają integrować ogniwa paliwowe typu SOFC z turbiną gazową oraz turbiną parową. Elektrownie takie mają dostarczać setki megawatów energii ze sprawnością pomiędzy 60-70 proc. zależnie od wielkości systemu i użytego paliwa3.

Ilustracja 1. Stos ogniw paliwowych typu SOFC firmy ENE-FARM zainstalowany przy japońskim domu w Kioto

Ilustracja 1. Stos ogniw paliwowych typu SOFC firmy ENE-FARM zainstalowany przy japońskim domu w Kioto - fot. G. Brus

Ogniwa paliwowe typu SOFC posiadają prostą budowę, składają się z dwóch elektrod; anody i katody, oddzielonych stałotlenkowym elektrolitem. Z zewnątrz pojedyncze ogniwo paliwowe wygląda jak gładka metaliczno-ceramiczna płytka. Jednak mikroskopowe obserwacje elektrody ogniwa ujawniają niezwykle skomplikowaną mikrostrukturę, potrzebną do tego, aby reakcje elektrodowe zachodziły w możliwie największej objętości materiału. Każdy element ogniwa paliwowego pełni inne funkcje transportowe, zapewniając przewodnictwo elektronowe, jonowe oraz możliwość penetracji elektrody przez paliwo w stanie gazowym. Własności mikrostrukturalne elektrod mają więc bezpośrednie przełożenie na charakterystyki pracy ogniwa paliwowego, a w konsekwencji całego systemu. Rozwój technik pomiarowych, takich jak tomografia elektronowa FIB-SEM pozwolił na trójwymiarowe zobrazowanie mikrostruktury materiałów elektrodowych oraz stworzył możliwości jej kształtowania. Poznanie tych własności pozwala naukowcom projektować materiały o konkretnej mikrostrukturze. Dwuwiązkowy skaningowy mikroskop elektronowy, wyposażony zarówno w kolumnę jonową, jak i elektronową, pozwala na wycięcie wizualnego dostępu do przekroju próbki za pomocą zogniskowanej wiązki jonów galu, a następnie zobrazowaniu przekroju w elektronach wtórnych (SE) lub wstecznie rozproszonych (BSE). Ścieniając za pomocą wiązki jonów fragment próbki warstwa po warstwie przy jednoczesnym obrazowaniu przekrojów, otrzymujemy serię obrazów umożliwiających utworzenie przestrzennego obrazu próbki. Grupa badawcza nad technologiami ogniw paliwowych zajmuje się m.in. trójwymiarową rekonstrukcją mikrostruktury materiałów z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego Versa 3D (FEI) znajdującego się w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii (ilustracja 2). Uzyskany stos mikrofotografii SEM jest następnie współosiowany i przycinany oraz przechodzi proces segmentacji. Oznacza to, iż każdemu obszarowi na obrazie SEM przypisuje się przynależność do konkretnej fazy. W przypadku zdjęć anody ogniwa paliwowego są to nikiel, tlenek cyrkonu stabilizowany tlenkiem itru (z ang. Yttria Stabilized Zirconia – YSZ) oraz pory. Taki system może zostać wykorzystany nie tylko do rekonstrukcji mikrostruktury wszelkiego typu materiałów, w tym nieprzewodzących, ale także coraz częściej wykorzystywany jest w naukach przyrodniczych (tj. biologia, czy geologia).

Ilustracja 2. Dr inż. Katarzyna Berent wraz z dwuwiązkowym skaningowym mikroskopem elektronowym Versa 3D (FEI) znajdującym się w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii

Residential Cogen Unit,” Fuel Cells Bulletin 2012, no. 4 (April 2012): 4, doi:10.1016/S1464-2859(12)70093-7. 1 2 “Mitsubishi Hitachi to Integrate SOFC with Micro Gas Turbine for Kyushu University Demonstration,” Fuel Cells Bulletin 2014, no. 12 (December 2014): 1, doi:10.1016/S1464-2859(14)70327. 1 3 “Mitsubishi to Develop SOFC-Turbine Triple Combined Cycle System,” Fuel Cells Bulletin 2012, no. 7 (July 2012): 5–6, doi:10.1016/S1464-2859(12)70197-9.

Ilustracja 2. Dr inż. Katarzyna Berent wraz z dwuwiązkowym skaningowym mikroskopem elektronowym Versa 3D (FEI) znajdującym się w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii - fot. G. Brus

Otrzymane obrazy są następnie rekonstruowane do trójwymiarowej cyfrowej reprezentacji mikrostruktury za pomocą zaawansowanej techniki przetwarzania obrazów oraz oprogramowania AVIZO (FEI) zainstalowanego w Katedrze Podstawowych Problemów Energetyki, Wydziału Energetyki i Paliw. Tworzenie cyfrowej rekonstrukcji materiału przedstawia schematycznie ilustracja 3. Technologię tę użyto po raz pierwszy do badania ogniw paliwowych typu SOFC w 2006 roku, ale do dziś tylko kilka ośrodków na świecie potrafi prawidłowo przeprowadzić analizy ilościowe wszystkich parametrów mikrostrukturalnych porowatego materiału elektrod, jedną z takich grup jest Interdyscyplinarny Zespół Badań nad Technologiami Ogniw Paliwowych.

Ilustracja 3. Kolejne kroki prowadzące do uzyskania cyfrowej rekonstrukcji materiału a) przykładowe obrazy SEM po procesie współosiowania i przycinania, b) zdjęcia po procesie segmentacji faz, c) trójwymiarowa cyfrowa rekonstrukcja materiału

Ilustracja 3. Kolejne kroki prowadzące do uzyskania cyfrowej rekonstrukcji materiału a) przykładowe obrazy SEM po procesie współosiowania i przycinania, b) zdjęcia po procesie segmentacji faz, c) trójwymiarowa cyfrowa rekonstrukcja materiału

W tym celu wykorzystujemy do tego szereg własnych symulacji numerycznych. Do najistotniejszych parametrów mikrostruktury, które możemy obliczyć, zaliczają się I) współczynnik krętości, wyrażający w sposób ilościowy stopień kompleksowości mikrostruktury, II) długość granicy styku trzech faz, opisująca ilość potencjalnego miejsca reakcji elektrochemicznych, III) udział objętościowy poszczególnych faz, IV) perkolację czy też V) średnią wielkość ziarna. Otrzymane parametry mikrostruktury implementowane są do symulacji numerycznej transportu masy i ciepła w stosie ogniw paliwowych. Wyniki obliczeń posłużą do zoptymalizowania projektu nowego typu stosu ogniw SOFC, nad którym pracujemy w programie FIRST TEAM 1/2016 Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, którego kierownikiem jest dr inż. Grzegorz Brus. Stos taki łącząc prostotę konstrukcji i niskie koszty wytwarzania będzie jednocześnie pozbawiony typowego problemu z uszczelnianiem stosu. Proponowany stos cechuje się zorientowanym na mikrostrukturę materiału procesem produkcyjnym. Proponujemy mikrostrukturę „szytą na miarę”, tak aby sprostać konkretnym wymaganiom ogniwa, zależnym od lokalizacji w stosie.

Nasza grupa badawcza zajmuje się również bezpośrednim wprowadzaniem cyfrowych rekonstrukcji mikrostruktury do obliczeń numerycznych budując w ich oparciu siatki obliczeniowe. Przykład takiego podejścia zaprezentowany jest na ilustracji 4. Pełna trójwymiarowa heterogeniczna symulacja zjawisk transportu w mikroskali jest wykorzystywania między innymi w używanych przez grupę algorytmach optymalizacyjnych. Zostały one rozwijane przez mgr. inż. Tomasza Prokopa w trakcie realizacji pracy magisterskiej w ramach projektu FIRST TEAM. Pracę wyróżniał niezwykle interesujący temat i innowacyjne podejście, co sprawiło, iż zdobyła miejsce na podium w konkursie Diamenty AGH.

Ilustracja 4. Przykładowy wynik symulacji numerycznej zjawisk transportu w mikrostrukturze ogniwa paliwowego, a) przykładowa siatka numeryczna, b) rozkład potencjału elektrycznego w przewodniku jonowym, c) lokalna gęstość prądu wymiany na granicy trzech faz

Ilustracja 4. Przykładowy wynik symulacji numerycznej zjawisk transportu w mikrostrukturze ogniwa paliwowego, a) przykładowa siatka numeryczna, b) rozkład potencjału elektrycznego w przewodniku jonowym, c) lokalna gęstość prądu wymiany na granicy trzech faz

Zespół badawczy zajmuje się również badaniami podstawowymi z zakresu mikrostruktury ogniw paliwowych typu SOFC. W projekcie Narodowego Centrum Nauki 2015/19/D/ST8/00839, pt. „Trójwymiarowa analiza lokalnych zmian mikrostruktury w stosie ogniw paliwowych typu SOFC” badana jest ewolucja mikrostruktury, która następuje w skutek długotrwałego działania stosu ogniw. W badaniach łączy się zmiany mikrostrukturalne z charakterystykami prądowo-napięciowymi ogniwa, próbując odpowiedzieć na najbardziej elementarne pytania dotyczące roli mikrostruktury w generacji prądu w ogniwie typu SOFC.

W ramach projektów realizowanych przez Interdyscyplinarny Zespół Badań nad Technologiami Ogniw Paliwowych prowadzimy prace dyplomowe, które zdobywają wiele nagród i wyróżnień. Dlatego też jako grupa, zachęcamy zdolnych studentów ze wszystkich wydziałów AGH do współpracy z nami.

Interdyscyplinarny Zespół Badań nad Technologiami Ogniw Paliwowych

Praca Interdyscyplinarnego Zespołu Badań nad Technologiami Ogniw Paliwowych skupia się na opracowaniu nowych rozwiązań z dziedziny wytwarzania i badania stałotlenkowych ogniw paliwowych SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell). Badania grupy koncentrują się głównie na optymalizacji parametrów strukturalnych materiałów do produkcji komponentów ogniw ze stałym tlenkiem. Grupa została powołana do wspólnego realizowania projektów z pogranicza badań strukturalnych i metod obliczeniowych. Ilustracja 5 przedstawia kierownika zespołu wraz z członkami w holu Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii. Osoby zainteresowane wykorzystaniem technik badawczych lub metod obliczeniowych w swojej pracy naukowej zachęcamy do kontaktu z zespołem.

Ilustracja 5. Interdyscyplinarny Zespół Badań nad Technologiami Ogniw Paliwowych. Od prawej kierownik zespołu prof. zw. dr hab. inż. Janusz S. Szmyd (WEiP), dr inż. Grzegorz Brus (WEiP), mgr inż. Marcin Moździerz (WEiP), inż. Szymon Buchaniec (WEiP), dr inż. Katarzyna Berent (ACMiN), mgr inż. Maciej Chalusiak (WEiP)

Ilustracja 5. Interdyscyplinarny Zespół Badań nad Technologiami Ogniw Paliwowych. Od prawej kierownik zespołu prof. zw. dr hab. inż. Janusz S. Szmyd (WEiP), dr inż. Grzegorz Brus (WEiP), mgr inż. Marcin Moździerz (WEiP), inż. Szymon Buchaniec (WEiP), dr inż. Katarzyna Berent (ACMiN), mgr inż. Maciej Chalusiak (WEiP) - fot. G. Brus

W ramach realizowanych projektów Grupa Technologii Ogniw Paliwowych blisko współpracuje z naukowcami z tak prestiżowych uczelni jak Uniwersytet w Kioto, Kioto, Japonia, Uniwersytet Tokijski, Tokio, Japonia czy Shibaura Insitute of Technology, Tokio, Japonia. Wyniki badań realizowanych z partnerami japońskimi zostały docenione przez Komitet Naukowy XI Europejskiego Forum Ogniw Paliwowych „European Solid Oxide Fuel Cells and Solid Oxide Electrolysers”, który uhonorował zespół prestiżowym medalem im. Christiana Friedricha Schönbeina.

Katarzyna Berent,
Grzegorz Brus