Nasze projekty

Partnerzy

Opis

EFECTS. Efektywna, chroniąca środowisko technologia i synteza powłok elektroceramicznych

Malejące zasoby paliw konwencjonalnych, a co za tym idzie ich wzrastające ceny oraz systematycznie zaostrzane światowe normy dotyczących emisji zanieczyszczeń spowodowały konieczność skierowania się ku nowym niekonwencjonalnym źródłom i technologiom wytwarzania energii. Zastąpienie konwencjonalnych źródeł energii przynajmniej częściowo nowymi źródłami alternatywnymi, efektywnymi ekologicznie, pozwoli nie tylko poprawić stan środowiska naturalnego, zredukować ilość odpadów, zaoszczędzić zasoby surowców naturalnych, ale także spowoduje zmniejszenie strat przesyłu energii elektrycznej oraz zwiększenie sprawności urządzeń generujących energię elektryczną. Za najbardziej obiecującą koncepcję alternatywnego napędu przyszłości uważa się obecnie układy ogniw paliwowych, przede wszystkim ze względu na jego ekologiczny charakter. Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi przekształcającymi energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło. Ze względu na rodzaj używanego elektrolitu oraz na rodzaj wykorzystywanego paliwa, rozwijane są różne typy ogniw paliwowych, z których najbardziej interesującym ze względów praktycznych wydaje się ogniwo paliwowe z elektrolitem stałym (SOFC Solid Oxide Fuel Cells). Główna przewaga SOFC nad pozostałymi rodzajami ogniw to możliwość zasilania dowolnym gazem redukcyjnym np. propan-butan, co pozwala uniezależnić się od niezbędnego do pracy innych rodzajów ogniw paliwowych - wodoru, a tym samym problemów zjego produkcją i przechowywaniem. Obniżenie temperatury pracy ogniw paliwowych opartych na elektrolitach stałych ze stosowany obecnie 1000°C do 750-650°C to strategiczny cel rozwoju tej technologii na świecie. Zasadniczym problemem jest uzyskanie elektrolitu stałego, który w temperaturze 650DC wykazywałby przewodnictwo elektryczne czysto jonowe rzędu 10~2 S/cm i byt stabilny w zakresie prężności tlenu l - 10'20 atm. Sposobem realizacji powyższych celów w prezentowanym projekcie jest opracowanie techniki wytwarzania cienkiej, litej i gazoszczelnej warstwy elektrolitu opartej na stabilizowanym tlenku cyrkonu. Cel ten może być osiągnięty poprzez zastosowanie techniki Ink-jet printing.

Dodatkowe zwiększenie przewodnictwa jonowego elektrolitów zostanie osiągnięte poprzez kontrolę jego mikrostruktury i otrzymanie w postaci nanowymiarowych ziaren. W porównaniu do innych technik metoda Ink-jet printing pozwala uzyskać warstwy o różnej mikrostrukturze, grubości, składzie. Pozwala ona na wykonanie zaprogramowanego kształtu jak i grubości warstwy.

Prace przewidziane do realizacji w projekcie obejmują wykonanie kompletnego ogniwa paliwowego stałotlenkowego na podłożu anodowym (AS-SOFC Anodę Supported Solid Oxide Fuel Cells). Niezależnie od tego w jakiej konfiguracji jest wytwarzana przegroda stałotlenkowego ogniwa paliwowego składa się z trzech zasadniczych warstw: anody, elektrolitu stałego i katody. Do wykonania katody używane są materiały tlenkowe o strukturze perowskitu typu Lni-Sr.MOs.j, M -Mn, Fe, Co, Ni lub typu Bai.,Sr1Coi.vFey03-6. Katoda składa się z dwóch cienkich warstw funkcjonalnej i kontaktowej, których grubość wynosi kilkadziesiąt mikrometrów. Elektrolit stałotlenkowy - jest gęstym spiekiem wykonanym z dotowanych materiałów tlenkowych cyrkonu lub ceru YSZ, Ce(Gd, Sm)O2. W przegrodach AS-SOFC elektrolit stanowi cienką warstwę o grubości maksymalnie kilkunastu mikrometrów. W przegrodach ES-SOFC stanowi podłoże o grubości minimalnej 100 Mm - Anoda jest materiałem cermetalicznym złożonym z niklu i tlenku cyrkonu YSZ lub dotowanego tlenku ceru Ce(Gd, Sm)02. Anoda najczęściej składa się z trzech warstw: funkcjonalnej, pośredniej i kontaktowej. W obu rodzajach przegród warstwa funkcjonalna i kontaktowa mają grubość maksymalnie kilkadziesiąt mikrometrów. W przegrodach AS-SOFC anodowa warstwa pośrednia stanowi podłoże o grubości minimalnej ok 0,5 mm. W przegrodach ES-SOFC jest to cienka warstwa o grubości kilkudziesięciu mikrometrów. Przewiduje się że zostanie opracowana technologia wytwarzania stałotlenkowych membran ogniw paliwowych, których częścią przenoszącą obciążenia mechaniczne będzie anoda. Do odlewania nośników anodowych zostanie użyta sprawdzona w warunkach laboratoryjnych metodą odlewania warstwowego kompozytów ZrO2 - NiO - środek porotwórczy. W tej części prac przewiduje się wykorzystanie urządzeń do przygotowania i odpowietrzania zawiesin oraz samego odlewania. Metoda tą zostanie wykonanych kilka rodzajów folii o zmiennych ilościach lepiszcza i rodzaju użytego środka porotwórczego oraz o różnej jej grubości. Z foli laserem zostaną wycięte formatki na podłoża o końcowych 50x50mm. Wykonanie różnej grubości folii przewidziane jest w celu wykonania części podłoża anodowego metodą Ink-jet printing. Zdaniem autorów projektu metodą tą można w łatwy sposób sterować porowatością jak również gradientem porowatości zmniejszającym się w kierunku warstwy anodowej funkcjonalnej i elektrolitu. Metodą tą zostanie też naniesiona warstwa anodowa funkcjonalna jak również warstwy pośrednie pomiędzy elektrolitem a katodą, które zapobiegną niepożądanym reakcją pomiędzy materiałami elektrolitu i katody. Warstwa anodowa kontaktowa jak również warstwy katodowe zostaną naniesione metodą sitodruku. Po dobraniu proszków zostanie przygotowana pasta do sitodruku poprzez kilkakrotne przepuszczanie jej przez trój walcarkę. Tak otrzymana pasta zostanie naniesiona na podłoże anodowe w przypadku warstwy anodowej kontaktowej lub na elektrolit dla warstw katodowych. W początkowym etapie projektu prace będą prowadzone na próbkach o wymiarach 25x25mm. Na podłoże anodowe metodą sitodruku zostanie naniesiona warstwa anodowa funkcjonalna i wstępnie wypalona. Na tak przygotowane próbki będzie nakładany elektrolit metodą Ink-jet printing. Podczas tych prób będzie optymalizowana zarówno reologia inku do druku jak również mikrostruktura otrzymanego elektrolitu. Po otrzymaniu dobrej jakości warstwy elektrolitowej zostanie wykonane kompletne ogniwo i poddane zostanie badaniom elektrycznym. Kolejnym etapem będzie nakładanie części podłoża anodowego, warstwy funkcjonalnej anodowej czy też warstw pośrednich metodą Inkjet printing. Po zoptymalizowaniu wszystkich parametrów i uzyskaniu dobrej jakości poszczególnych warstw również zostanie wykonane kompletne ogniwo o wymiarach 50x50mm i poddane zostanie badaniom elektrycznym.