6.11.2018 13:00 | Veda

Konečne naozaj efektívny palivový článok. Čo využíva?

Vedúci tímu Meilin Liu drží v laboratóriu vzorku nového palivového článku.
Vedúci tímu Meilin Liu drží v laboratóriu vzorku nového palivového článku. Zdroj: Georgia Tech/Christopher Moore

Nový metánový palivový článok pracuje pri oveľa nižšej teplote.

Palivové články sú nesporne sľubnou technológiou. Existujúce verzie ale nevynikajú ani praktickosťou prevádzky, ani cenou. Oboje rieši nová, ktorá je materiálovo nenáročná. Používa lacné a dostupné palivo. Funguje pri teplote automobilového motora.

Zatiaľ je to stále laboratórny prototyp. Tvorcovia však odôvodnene predpokladajú, že nový článok sa môže stať štandardným zdrojom nielen pre zásobovanie domácností elektrinou, ale aj pre pohon automobilov. Jeho základom je vysoko funkčný palivový katalyzátor.

Nová budúcnosť metánu

Podstatným pokrokom je náhrada tradičného vstupného paliva článkov, teda vodíka. Jeho cena je vysoká a jeho výroba i skladovanie sú náročné, energeticky i kvôli riziku výbuchu. Vodík sa vyrába až v článku z lacnej a dostupnej alternatívy, metánu. Čiže základu zemného plynu.

Lepšia komerčná využiteľnosť si vyžadovala urobiť veľké úpravy v samom článku. Metánové normálne fungujú pri vyššej prevádzkovej teplote, 750 až 1000 stupňov Celzia.

Nový článok potrebuje iba 500 stupňov Celzia. To je dôležité pre nasadenie v pohone áut. Spaľovacie motory automobilov pracujú pri teplotách okolo 600 stupňov Celzia.

Ľahká prepojiteľnosť

„Náš článok umožňuje vybudovať robustné funkčné systémy viacerých palivových článkov pomocou prepojení z lacnej nehrdzavejúcej ocele. Teploty nad 750 stupňov Celzia by nijaký kov nevydržal bez oxidácie. To by spôsobilo kopu problémov s materiálmi, a aj tak by bol výsledok nákladný, krehký a kontaminoval by článok,“ vysvetlil vedúci tímu Meilin Liu z Georgijského technologického inštitútu (Georgia Tech) v Atlante (USA).

Pracovná teplota na úrovni 500 stupňov veľmi uľahčuje prácu konštruktérom systémov prepojených palivových článkov. Nemusia napríklad použiť takzvaný reformér pary, potrebný v bežných článkoch kvôli premene metánu a vody na vodíkové palivo.

Nový palivový článok je praktický a nákladovo dostupný – jednak ohľadne použitých materiálov, jednak prevádzky. fotogaléria / 3
Nový palivový článok je praktický a nákladovo dostupný – jednak ohľadne použitých materiálov, jednak prevádzky. Zdroj: Georgia Tech/Christopher Moore

Ťah na decentralizáciu energetiky

Členovia tímu využili ako základ palivový článok z kategórie SOFC (tuhý oxid). Dôvodom bola palivová všestrannosť týchto článkov. Na druhej strane rátajú najprv s využití v rámci lacných domácich autonómnych energetických systémov, v pohone automobilov až neskôr.

Domáci systém prepojených palivových článkov by bol typicky veľký asi ako krabica na topánky, k čomu ale treba prirátať pomocnú prevádzkovú technológiu. „Ľudia by si ho inštalovali ako dnes prietokový ohrievač vody. So zemným plynom ako palivom by zásoboval domácnosť elektrinou. Spoločnosti by to ušetrilo obrovské prostriedky potrebné na budovanie nových veľkých elektrární a nevyhnutných rozvodných sietí,“ zdôraznil Meilin Liu.

Pohľad zblízka na kľúčové materiály. Vľavo je nový typ častíc oxidu železitého, ktorý si OSU nechala patentovať.
Čítajte aj Fosílne palivá nemusia špiniť ovzdušie. Stačí mať správnu technológiu

Lacnejší „domáci“ vodík

Nový článok sa s vodíkom nerozlúčil. Napokon metán je, čo sa do počtu atómov v molekule, tiež prevažne vodík (jeden atóm uhlíka voči štyrom atómom vodíka). Členovia tímu objavili, ako premeniť metán na vodík v samom palivovom článku. Pomocou nového katalyzátora.

Skladá sa z céru, niklu a ruténia. Skratka jeho názvu CNR odráža chemické zloženie vyjadrené v u nás trochu nezvyčajnej forme vzorca Ce0,9Ni0,05Ru0,05O2.

Kontakt katalyzátora s molekulami metánu a vody vedie k tomu, že nikel rozbije molekulu metánu a ruténium zasa molekulu vody. Z produktov sa utvoria molekuly vodíka a oxid uhoľnatý. „Vo väčšine palivových článkov spôsobuje oxid uhoľnatý problém s výkonnosťou, tu ho ale využívame tiež ako palivo,“ povedal člen tímu Yu Chen z Georgia Tech.

Člen tímu Ben deGlee pripája elektródy k testovacej jednotke používanej pri vývoji nového palivového článku. fotogaléria / 3
Člen tímu Ben deGlee pripája elektródy k testovacej jednotke používanej pri vývoji nového palivového článku. Zdroj: Georgia Tech/Christopher Moore

Menej skleníkový ako spaľovacie motory

Vyrobený vodík a oxid uhoľnatý postupujú na ďalšie vrstvy katalyzátora, ktoré tvoria anódu článku. Tam sú z nich vytrhávané elektróny, čím sa stávajú kladne nabitými iónmi. Elektróny prúdia ku katóde, kde ich pohltia molekuly kyslíka, z ktorých vzniknú záporne nabité ióny.

Ionizované molekuly vodíka a kyslíka vytvoria vodnú kondenzáciu, ktorá odchádza zo systému. Ióny kyslíka a oxidu uhoľnatého zasa čistý oxid uhličitý, ktorý možno zachytiť v systéme. Článok však produkuje oveľa menej tohto plynu ako spaľovacie motory.  

Niektoré palivové články vyžadujú pre úvodné reakcie prívod vody zvonku. V novom článku sa voda dopĺňa poslednou fázou reakcií a cykluje na začiatok do reakcie s metánom.

Keď robotická včela RoboBee čľupne do vody, neskôr z nej vyletí.
Čítajte aj Nová robotická včela pláva, vyrába palivo a vzlieta z vodnej hladiny

Dve muchy jednou ranou

Nový katalyzátor CNR ponúka dvojakú výhodu. V prvom rade spomenutú palivovú. Veľmi dôležité je však tiež to, že ako vonkajšia vrstva anódovej strany článku pôsobí aj ako ochrana proti rozpadu materiálu anódy. To významne predlžuje životnosť palivového článku.

Reakcia kyslíka i celkový pohyb systémom bývajú na katódovom konci pomalé. Členovia tímu to sčasti prekonali – a tým zvýšili produkciu elektriny – pomocou katód vyrobených z nanovlákien minerálu perovskit, ktoré takisto vyvinuli. „Popri štruktúre katalyzátora nám práve nanovláknové katódy umožnili znížiť prevádzkovú teplotu,“ uzavrel Yu Chen.

Štúdiu uverejnil vedecký časopis Nature Energy. Správu o nej vydal aj Georgijský technologický inštitút.

Diskusia 11 Príspevkov