Czym są stałotlenkowe ogniwa paliwowe (Solid Oxide Fuel Cell)? W największym skrócie to wysokotemperaturowe elektrochemiczne elektrownie w miniaturze. Zamiast spalać paliwo za pomocą płomienia, prowadzą reakcje na powierzchni dwóch elektrod, oddzielonych ceramicznym elektrolitem. Dzięki temu zamieniają energię chemiczną bezpośrednio w prąd, z wysoką sprawnością i niską emisją. Mają jednak swoją piętę achillesową - pracują w bardzo wysokich temperaturach (setki stopni Celsjusza), a różne warstwy urządzenia rozszerzają się w różnym tempie. Przy każdym rozruchu i wychładzaniu ta niedopasowana rozszerzalność powoduje naprężenia, mikropęknięcia i spadki wydajności, szczególnie na styku katody z elektrolitem.

Naukowcy proponują rozwiązanie zaskakująco proste w idei: do materiału katody dodają niewielką porcję substancji, która kurczy się, gdy rośnie temperatura (to właśnie NTE – negative thermal expansion). W efekcie jedna część elektrody ciągnie, a druga odpuszcza i całość lepiej dopasowuje się do pracy elektrolitu. Drugi aspekt sukcesu to geometria - katodę formuje się w postaci gęstej maty nanowłókien (elektroprzędzenie), co tworzy tkaninę cienkich nitek o ogromnej powierzchni reakcji i dobrych ścieżkach transportu tlenu.

Korzyści są mierzalne. W temperaturze około 800 st. C katody z domieszką NTE notują ponad 50-procentowy spadek oporu polaryzacyjnego względem materiału wyjściowego, a pojedyncze ogniwo osiąga około 0,85 W na centymetr kwadratowy mocy szczytowej — to wzrost rzędu 40 proc. Co równie ważne, niedopasowanie rozszerzalności między katodą a elektrolitem spada istotnie (z poziomu sięgającego kilkudziesięciu procent do wartości bliskich zeru), co ogranicza ryzyko pękania przy cyklach grzania i studzenia. Innymi słowy: ogniwo działa sprawniej i dłużej.

Zespół w swojej pracy, opublikowanej w „Applied Catalysis B: Environment and Energy” (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125950), wyjaśnia także, skąd bierze się to niezwykłe zachowanie cieplne. Analiza widmowa pokazuje zmiany drgań sieci krystalicznej wraz z temperaturą, a obliczenia teoretyczne wskazują, że taki dodatek stabilizuje strukturę i sprzyja transportowi tlenu w warunkach pracy. To ważne, bo dzięki tym analizom otrzymujemy przepis projektowy: dobrać porcję NTE tak, by równoważyła termiczne puchnięcie katody i jednocześnie nie gasiła jej aktywności.

Połączenie krawiectwa termicznego (kompensacja rozszerzalności) z architekturą w skali nano (nanowłókna) jest atrakcyjne także pod względem technologicznym, ponieważ metodę tę da się skalować. Nie wymaga ona egzotycznych składników, a pracuje dokładnie tam, gdzie ogniwa paliwowe potrzebują wsparcia — na styku materiałów. Zastosowania takich mikroelektrowni są szerokie: od ciepłowni, szpitali, aż do zakładów przemysłowych czy transportu.

Stałotlenkowe ogniwa paliwowe zalicza się do niskoemisyjnych źródeł energii, ponieważ wytwarzają prąd elektrochemicznie (bez płomienia), co ogranicza typowe zanieczyszczenia powietrza (NOx, SOx), a przy zasilaniu wodorem lub biogazem pozwala na bardzo czystą pracę. Nawet przy użyciu gazu ziemnego jako paliwa, ilość powstającego dwutlenku węgla jest dużo niższa niż w klasycznych generatorach, a dodatkowo możliwy jest odzysk ciepła w kogeneracji.

Na rynku komercyjną produkcją takich ogniw już dziś zajmuje się m.in. firma Bloom Energy w USA, Kyocera w Japonii czy SolydEra oraz Elcogen w Europie. W Polsce pojawiają się pierwsze inicjatywy wytwórcze — firma HydrogenTech z Krakowa komercyjnie produkuje ogniwa stałotlenkowe i oferuje zaplecze testowe dla projektów wodorowych, zaś laboratoryjne ogniwa wytwarzane są w Instytucie Energetyki – Państwowym Instytucie Badawczym.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ bar/