צוות מחקר שיתופי פיתח טכנולוגיית ציפוי זרז חדשה המשפרת את הביצועים של תאי דלק תחמוצת מוצק פי שלושה תוך ארבע דקות בלבד, ומציעה התקדמות פוטנציאלית בטכנולוגיית המרת אנרגיה. קרדיט: מכון קוריאה לחקר האנרגיה (KIER)
טכניקת ציפוי זרז תחמוצת חדשה משפרת באופן משמעותי את הביצועים של תאי דלק תחמוצת מוצקים, ומשלשת את יעילותם. טכנולוגיה פורצת דרך זו היא רב-תכליתית וניתנת ליישום ביישומים שונים, כולל תאי דלק תחמוצת מוצק ואלקטרוליזה בטמפרטורה גבוהה.
חוקרים פיתחו טכנולוגיית ציפוי זרז פורצת דרך לתאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) שמשפרת באופן דרסטי את הביצועים תוך ארבע דקות בלבד. הטכנולוגיה, אשר מעסיקה ננומטרי זרזים של תחמוצת פרסאודימיום, מכוונים לתגובת הפחתת החמצן באלקטרודת האוויר, ומגדילים את תפוקת הכוח של SOFCs באופן משמעותי. שיטה חדשה זו, שהיא חסכונית ותואמת לתהליכי ייצור קיימים, מבטיחה יישומים רחבים יותר, כולל אלקטרוליזה בטמפרטורה גבוהה לייצור מימן.
ד"ר Yoonseok Choi מהמעבדה לחומרי התכנסות מימן במכון קוריאה לחקר האנרגיה (KIER), יחד עם פרופסור WooChul Jung מהמחלקה למדע והנדסת חומרים ב- KAIST ופרופסור בום-קיונג פארק מהמחלקה למדע והנדסת חומרים באוניברסיטה הלאומית של פוסאן, פיתחה בהצלחה טכנולוגיית ציפוי זרז שמשפרת באופן דרמטי את הביצועים של תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) תוך 4 דקות בלבד.
תאי דלק זוכים לתשומת לב כמכשירי אנרגיה יעילים ונקיים ביותר המניעים את משק המימן. ביניהם, תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs), בעלי יעילות ייצור החשמל הגבוהה ביותר, יכולים להשתמש בדלקים שונים כגון מימן, ביוגז וגז טבעי. הם גם מאפשרים ייצור חום וכוח משולב על ידי ניצול החום שנוצר במהלך התהליך, מה שהופך אותם לנושא של מחקר ופיתוח פעילים.
איורים סכמטיים של תהליך הציפוי האלקטרוכימי על אלקטרודת LSM-YSZ של SOFCs. קרדיט: מכון קוריאה לחקר האנרגיה (KIER)
אתגרים בביצועי SOFC
הביצועים של תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) נקבעים במידה רבה על ידי הקינטיקה של תגובת הפחתת החמצן (ORR) המתרחשת באלקטרודת האוויר (קתודה). קצב התגובה באלקטרודת האוויר איטי יותר מזה של אלקטרודת הדלק (אנודה), ובכך מגביל את קצב התגובה הכולל. כדי להתגבר על הקינטיקה האיטית הזו, חוקרים מפתחים חומרים חדשים של אלקטרודות אוויר עם פעילות ORR גבוהה. עם זאת, חומרים חדשים אלה בדרך כלל עדיין חסרים יציבות כימית, הדורשים מחקר מתמשך.
תמונה של צוות המחקר המשותף (יון-סוק צ'וי, חוקר בכיר, מימין הקיצוני). קרדיט: מכון קוריאה לחקר האנרגיה (KIER)
במקום זאת, צוות המחקר התמקד בשיפור הביצועים של האלקטרודה המרוכבת LSM-YSZ, חומר בשימוש נרחב בתעשייה בשל היציבות המצוינת שלו. כתוצאה מכך, הם פיתחו תהליך ציפוי ליישום זרזים של תחמוצת פרסאודימיום (PrOx) בקנה מידה ננומטרי על פני האלקטרודה המרוכבת, אשר מקדם באופן פעיל את תגובת הפחתת החמצן. על ידי יישום תהליך ציפוי זה, הם שיפרו משמעותית את הביצועים של תאי דלק תחמוצת מוצק.
שיטת השקיעה אלקטרוכימית פשוטה
צוות המחקר הציג שיטת שקיעה אלקטרוכימית הפועלת בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי, ללא צורך בציוד או תהליכים מורכבים. על ידי טבילת האלקטרודה המרוכבת בתמיסה המכילה יוני פרסאודימיום (Pr) והפעלת זרם חשמלי, יוני הידרוקסיד (OH-) הנוצרים על פני האלקטרודה מגיבים עם יוני פרסאודימיום, ויוצרים משקעים שמצפה באופן אחיד את האלקטרודה. שכבת ציפוי זו עוברת תהליך ייבוש, והופכת לתחמוצת הנשארת יציבה ומקדמת ביעילות את תגובת הפחתת החמצן של האלקטרודה בסביבות בטמפרטורה גבוהה. כל תהליך הציפוי אורך 4 דקות בלבד.
בנוסף, צוות המחקר הבהיר את המנגנון שבאמצעותו הננו-קטליזטור המצופה מקדם חילופי חמצן על פני השטח והולכה יונית. הם סיפקו ראיות בסיסיות לכך ששיטת ציפוי הזרז יכולה לתת מענה לקצב התגובה הנמוך של האלקטרודה המרוכבת.
על ידי הפעלת האלקטרודה המרוכבת המפותחת מצופה זרז והאלקטרודה המרוכבת הקונבנציונלית במשך למעלה מ-400 שעות, הצוות הבחין כי התנגדות הקיטוב הופחתה פי עשרה. בנוסף, ה-SOFC שמשתמש באלקטרודה מצופה זו הציג צפיפות שיא הספק גבוהה פי שלושה (142 mW/cm² → 418 mW/cm²) מזו של המארז הלא מצופה, ב-650 מעלות צֶלסִיוּס. זה מייצג את הביצועים הגבוהים ביותר שדווחו עבור SOFCs באמצעות אלקטרודות מרוכבות LSM-YSZ בספרות.
ד"ר Yoonseok Choi, מחבר שותף מתכתב, ציין, "טכניקת השקיעה האלקטרוכימית שפיתחנו היא פוסט תהליך שאינו משפיע באופן משמעותי על תהליך הייצור הקיים של SOFCs. זה הופך אותו לכדאי כלכלית להחדרת ננו-זרזים תחמוצתיים, מה שמשפר את הישימות התעשייתית שלו." הוא הוסיף, "הבטחנו טכנולוגיית ליבה שניתן ליישם לא רק על SOFCs אלא גם על מכשירים שונים להמרת אנרגיה, כגון אלקטרוליזה בטמפרטורה גבוהה (SOEC) לייצור מימן."
המחקר נערך בתמיכת תוכנית פיתוח טכנולוגיות הליבה של משרד המסחר, התעשייה והאנרגיה לאנרגיה חדשה ומתחדשת ותוכנית המחקר הבסיסי הפרטני של משרד המדע והתקשוב.
