Britští vědci pracují na nových vodíkových technologiích

Hlavní rozdíl oproti v současnosti používanému systému, který využívá k dosažení vyššího výstupního výkonu jako tradiční vodiče bipolární ocelové plátky mezi jednotlivými buňkami oddělenými od sebe membránovou elektrodou, jsou tyto těžké kovové konstrukční prvky nahrazeny tištěnými integrovanými obvody (printed circuit boards  - PCB). Bipolární ocelové destičky tradičně slouží jako vodiče mezi jednotlivými články. Princip spočívá v začlenění elektronové membrány do desek tištěných obvodů, který se vzhledem podobá základní desce v běžném PC.
Tento nový typ palivových článků, který by měl být lehčí než současné technologie, bude nabízet stejnou nebo lepší hustotu ve srovnání s dnešními palivovými články. Klíčem PCB technologie je její techničnost: “Máme zcela nový způsob jak dávat dohromady palivové články a byli jsme překvapeni, jak levné tyto věci jsou. Cena ale není jediná důležitá věc, je to i kapacita a vyšší spolehlivost článků. Normální palivový článek je podobný systému zatížení různých vazeb v řetězci, a pokud nefunguje jeden z jeho prvků, selže celý článek. Jestliže však selže jedna z vrstev v našem systému, zbytek pokračuje v práci, protože proud neprochází v sérii přes celou tloušťku buňky, ale teče do stran, což znamená, že má velmi dobrou toleranci. Takže jedna z těchto vrstev může selhat, aniž by došlo ke kolapsu celého systému," řekl Dr. Daniel Brett z katedry chemického inženýrství UCL pro magazín The Engineer.
Vědci doufají, že se jim podaří vyvinout palivové články tohoto typu pro tři různé oblasti aplikací: přenosnou spotřební elektroniku, kombinované tepelné a palivové články a pro vozidla. Výzkumný tým již předvedl v laboratorních podmínkách palivový článek operující s napětím několika wattů, což je dostatečná hodnota např. k napájení přenosných elektronických zařízení. Vědci se nyní zaměřují na vývoj kombinovaného tepelného a palivového článku s napětím ~1KW, který by chtěli představit koncem roku 2012 a prototyp palivového článku pro automobily, jehož představení plánují koncem příštího roku.

Vodíkové mikrokorálky jako palivo budoucnosti?
Nejde však o jedinou britskou aktivitu v oblasti vodíkových technologii. Už loni přinesl list Daily Mail informaci o dalším zajímavém projektu: londýnští vědci pracují na vývoji “umělého benzínu”, který by byl výrazně levnější a neobsahoval uhlík. Precizují recept na palivo založené na vodíku, které by bylo použitelné v motorech normálních aut a stálo zlomek ceny konvenčních fosilních paliv.
S vodíkem, který v sobě neobsahuje problematický uhlík jako ropná paliva, by takováto pohonná hmota budoucnosti nevytvářela při spalování žádné škodlivé emise, a byla tak prospěšnější pro životní prostředí stejně jako pro peněženky řidičů. Podstatnou otázkou je samozřejmě i cena, a tu odhadují autoři návrhu na zhruba polovinu současných nákladů ve srovnání s běžnými palivy. Energie z vodíku by přitom mohla být využita bez problémů se spalováním benzínu nebo kombinována s kyslíkem v palivových článcích pro výrobu elektřiny.
Professor Stephen Bennington, vedoucí výzkumného týmu uvedl: “V určitém smyslu je vodík perfektní palivo. Na hmotnostní jednotku má třikrát více energie než benzín a jeho spalováním nevzniká nic než voda. Naše nové materiály pro ukládání vodíku nabízejí skutečný potenciál pro pohon aut, letadel a dalších vozidel, lepší než nyní používané uhlovodíky.”
Současné metody ukládání a uchovávání vodíku jsou ovšem drahé a nepříliš bezpečné. Aby se tento problém vyřešil, navrhli vědci z Rutherford Appleton Laboratory poblíž Oxfordské univerzity cestu, jak ukládat vodík s vysokou objemovou hustotou do miniaturních “korálků”. Ty by pak bylo možné nalévat nebo čerpat do nádrží jako kapalinu. Na rozdíl od existujících „zelených“ paliv by novinka nevyžadovala nutnost úprav současných vozidel pro provoz na nový typ paliva.
Stephen Volker, výkonný ředitel firmy Cellar Energy, která zmíněnou technologii vyvíjí je přesvědčen, že nové řešení bude fungovat v dnešních automobilech: „Vyvinuli jsme mikroperličky, které lze použít ve stávajících benzínových či dieselových vozidlech k nahrazení ropných paliv. Tyto materiály jsou na bázi vodíku, takže neprodukují v místě jejich používání žádné emise uhlíku, podobně jako elektromobily".
Výzkumníci předpokládají, že na jednu nádrž umělého benzínu, který ještě nemá ani jméno, by mohla běžná vozidla ujet zhruba 450 – 650 km v souladu s konvenčním palivem. První silniční testy se předpokládají během letošního roku, a pokud vše půjde dobře, mohla by komerční realizace tohoto pozoruhodného řešení srazit stále rostoucí ceny pohonných hmot. Nicméně i když tvůrci tohoto projektu původně předpokládali, že umělý benzín by se mohl na trhu objevit do tří let, tak přímočaře to asi přece jen nepůjde, protože problémů a otázek, které s novou technologií souvisejí, zůstává stále ještě dost.

Řešení nabízejí hydridy a nanotechnologie
Komplexní chemické hydridy které nyní existují, obsahují vodík v koncentracích, vysoko nad 10 % hmotnosti – např. amoniak-boran obsahuje 19,6 % vodíku, je 12 % hm které se uvolňují při teplotách pod 150 °C. Nicméně, tyto materiály mají pomalou desorpční kinetiku a mohou uvolnit další chemické látky, např. čpavek nebo borazin, které by mohly palivový článek „otrávit“. Mnohé z nich je také obtížné zvládnout, protože se ve vzduchu rychle rozkládají. Tyto problémy mohou být řešeny pomocí nanotechnologie.
Cella Energy vyvinula metodu, pomocí low-cost procesu zvaného koaxiální elektrospinning nebo electrospraying. Ten uvězní komplexní chemické hydridy uvnitř nano porézního polymeru, urychluje kinetiku desorpce vodíku, snižuje teplotu, při které dochází k desorpci a filtruje většinu, či všechny škodlivé chemikálie. To také chrání hydridy před kyslíkem a vodou, aby bylo možné s nimi manipulovat na vzduchu v běžných podmínkách.
Koaxiální elektrostatický proces je jednoduchý a průmyslově škálovatelný. Umožňuje vytvoření nano-porézních polymerů naplněných chemickými hydridy v podobě mikrovláken nebo korálků v řádu mikronů. Díky tomu je možné s nimi manipulovat jako s tekutinou, což nabízí řadu příležitostí.
Výzkumníci jsou přesvědčeni, že tato technologie pomůže vyrobit levný, složený materiál, umožňující bezpečnou manipulaci na vzduchu, při nízkých teplotách a tlacích a s dostatečně vysokou koncentrací vodíku.
Současný kompozitní materiál používá amoniak boran (NH3BH3) jako hydrid a polystyren jako polymerové nano řešení. Amoniak boran v normálním stavu uvolňuje vodík obsažený v něm 12% hmotnosti při teplotách mezi 110 a 150 °C, ale s velmi pomalou kinetikou. V materiálech vyvinutých firmou Cela je dostupný obsah vodíku redukován na 6 % objemové hmotnosti, ale provozní teplota je snížena tak, že vodík se začne uvolňovat pod 80 °C a kinetika je řádově rychlejší. Přestože je tato technologie ideální pro odzkoušení konceptu a užitečná pro demonstrační účely v počáteční fázi, nejde ještě o komerčně životaschopný materiál. Je to drahé a nemůže být snadno znovu hydridován nebo chemicky recyklován.
Cella proto nyní pracuje na vývoji dalších hydridových materiálů, s o něco nižším obsahem vodíku, ale s možností mnohonásobného opakování cyklu, a jejich zapouzdření ve vodíkovopropustných vysokoteplotních polymerech na základě polyimidu.
Existují dva způsoby, jak použít tyto materiály:
- čistý vodík (řešení s nulovými emisemi uhlíku) - může fungovat jako způsob bezpečného ukládání vodíku pro použití ve spalovacím motoru nebo palivovém článku
- přísada paliva (snížení uhlíkových emisí) - pro použití jako aditiva do paliv, jako je benzín, nafta, palivo pro tryskové motory apod.

Lákavé možnosti
Již není nutné pokoušet se o rehydrogenaci materiálu uvnitř vozidla. U většiny materiálů pro uchovávání vodíku se uvolní megajouly energie a pokud je potřeba proces tankování provést během několika minut, vyžaduje to chlazení odstraňující několik set kW výkonu. Pro usnadnění rehydrogenace na 3-4 minuty vyžaduje termodynamika vysoké teploty a tlaky kolem 100 bar, takže výzkumníci nevěří, že rehydrogenace ve vozidle představuje rozumné řešení. Se zkapalněnými hydridy by ovšem bylo možné materiál rychle naplnit do vozidla, nebo ho z něj odstranit tak, aby mohl být recyklován nebo rehydridován kdekoli jinde, a také jej ve vozidle přesunout, a oddělit úložiště od jednotky termolýzy. Mikrokorálky by tak mohly být uloženy v palivové nádrži, která nemusí obsahovat vysoké tlaky nebo být vytápěna i ochlazována, a proto může být použit jednoduchý lehký plastový zásobník tvarově podobný tomu, jaký najdeme v běžných vozidlech. Hydridové korálky jsou pak čerpány do horké komory, k pohonu vodíku do maloobjemového bufferu může být využito odpadní teplo z výfukových plynů motoru. Vodíkový buffer je udržován pod tlakem vhodným pro motor s vnitřním spalováním nebo palivového článku s dostatečným objemem, aby byl schopen restartovat vozidlo. Jakmile je hydrid zahřát a vodík vytlačen, jsou odpadní kuličky uloženy v jiné lehké plastové nádrži. Vzhledem k tomu, že materiál je odstraněn z vozidla, jsou k dispozici na regeneraci hydridu rozsáhlé možnosti chemické recyklace. Díky tomu, že funkce termolýzy hydridové regenerace a skladování jsou odděleny, je možné udržet hmotnost systému na minimum.
 

Publikováno: 12. 5. 2012 | Počet zobrazení: 3843 680