Czasami największe przełomy technologiczne kryją się w pozornie prostych zjawiskach. Wystarczy spojrzeć na stałotlenkowe ogniwa paliwowe, które od lat uważane są za jedną z najbardziej obiecujących technologii czystej energii, ale ich praktyczne zastosowanie blokowały ekstremalne wymagania temperaturowe. Dotychczas konieczność pracy w temperaturach sięgających 1000°C sprawiała, że całe systemy były nie tylko drogie w produkcji, ale i w eksploatacji, co skutecznie hamowało ich szersze wdrożenie. Okazuje się jednak, że rozwiązanie tego problemu może być bliżej, niż się wydawało.
Jak para wodna wprowadza stałotlenkowe ogniwa paliwowe w nową erę funkcjonalności?
Zespół badaczy z Instytutu Nauki w Tokio dokonał ciekawego odkrycia, które znacząco poprawia przewodnictwo jonów tlenowych w materiałach ceramicznych. Co szczególnie intrygujące, kluczowym elementem całego procesu jest… para wodna. Dzięki jej wykorzystaniu udało się obniżyć temperaturę pracy ogniw aż do 500°C przy zachowaniu ich wydajności. Sednem całego przełomu jest specjalny ceramiczny materiał o dość skomplikowanej nazwie. Jest to bowiem tlenek barowo-niobowo-molibdenowy, a więc należący do grupy perowskitów związek, który wykazuje niezwykłą właściwość.
Czytaj też: Chiny rozwiązały największy problem energetyki jądrowej. Ten reaktor jest praktycznie niezniszczalny
Wspomniany materiał w obecności pary wodnej podwaja swoją zdolność do przewodzenia jonów tlenowych. Mechanizm działania jest naprawdę fascynujący, bo para wodna wchłaniana do struktury krystalicznej dostarcza dodatkowe jony tlenowe, które tworzą i rozbijają dimery, czyli specyficzne podwójne jednostki. To właśnie one ułatwiają ruch innych jonów przez materiał. Efekty są wymierne i potwierdzone pomiarami, a co istotne, głównym nośnikiem ładunku pozostają jony tlenu, a nie protony. Ma to kluczowe znaczenie dla wydajności całego systemu, bo ta zmiana otwiera zupełnie nowe możliwości dla technologii ogniw paliwowych.
Obniżenie temperatury pracy o połowę przynosi konkretne, praktyczne korzyści. Przede wszystkim materiały ulegają wolniejszej degradacji, co przekłada się na wydłużenie żywotności całego systemu. Dodatkowo znika konieczność stosowania wyspecjalizowanych, odpornych na ekstremalne temperatury katalizatorów, które stanowiły znaczącą część kosztów produkcji. To właśnie te czynniki mogą radykalnie obniżyć zarówno koszty wytworzenia, jak i późniejszej eksploatacji ogniw.
Czytaj też: Kopalnia w Turowie dostanie drugie życie. Transformacja energetyczna po polsku nabiera rozpędu
Wyniki badań, opublikowane w Journal of Materials Chemistry A, pokazują również, że przewodnictwo jonów tlenowych w wilgotnej atmosferze jest konsekwentnie wyższe niż w suchych warunkach. Symulacje komputerowe potwierdziły, że wynika to ze zwiększonej liczby dimerów powstających w wyniku hydratacji materiału. Dlatego też to odkrycie może mieć znaczenie nie tylko dla samej energetyki, ale także dla rozwoju nauki o materiałach. Patrząc na to bowiem z szerszej perspektywy, takie przewodniki jonowe mogą stać się ważnym elementem budowania bardziej zrównoważonego społeczeństwa.
Czytaj też: Cieszysz się z fotowoltaiki? Do czasu, bo termin zbliża się nieubłaganie
Stałotlenkowe ogniwa paliwowe to nie tylko źródło czystej energii. Mogą bowiem również działać w odwrotnym kierunku jako ogniwa do elektrolizy pary wodnej, produkując tym samym wodór. Niższe koszty produkcji mogą otworzyć drogę do szerszego zastosowania tej technologii w energetyce rozproszonej. Jak to jednak często bywa z laboratoryjnymi przełomami, droga od odkrycia do komercjalizacji bywa długa i wyboista. Mimo obiecujących wyników wciąż pozostaje wiele pytań dotyczących trwałości takich rozwiązań w rzeczywistych warunkach eksploatacji oraz ekonomicznej opłacalności masowej produkcji. Niemniej jednak, japońskie odkrycie pokazuje, że warto szukać rozwiązań w nieoczywistych miejscach – czasem wystarczy zwykła para wodna, by odmienić przyszłość całej technologii.