Vodíková energie získává podporu pro palivové články

Vzhledem k tomu, že globální poptávka po energii neustále roste, zkoumají se i nové způsoby výroby energie a alternativy k fosilním palivům. Jednou z technologií, která přitahuje značnou pozornost, jsou palivové články na bázi tuhých oxidů neboli SOFC. Na rozdíl od baterií, které uvolňují uloženou chemickou energii, přeměňují chemická paliva přímo na elektřinu a vyrábějí energii, dokud je palivo k dispozici. 

Klíčová role elektrolytů ve výkonu článků
Ačkoli jsou SOFC známé svou vysokou účinností a dlouhou životností, mají i vážné omezení. Pro správné fungování potřebují extrémně vysoké teploty kolem 700–800 °C. Problém vysokých provozních teplot je velkou výzvou, protože jejich dosažení a udržení vyžaduje specializované materiály schopné odolávat intenzivnímu teplu, což systémy prodražuje. 
Vědci z Univerzity Kjúšú nyní oznámili, že vyvinuli SOFC, který efektivně pracuje již při 300 °C. Podle nich by tento průlom mohl výrazně snížit náklady, podpořit vytváření nízkoteplotních SOFC a urychlit jejich reálné využití.
„Snížení pracovní teploty na 300 °C by snížilo náklady na materiál a otevřelo dveře k systémům na úrovni spotřebitelů. Žádná známá keramika však nedokázala v takových teplotních podmínkách unést dostatek protonů tak rychle. Proto jsme se rozhodli toto úzké hrdlo prolomit,“ říká prof. Jošihiro Yamazaki, vedoucí studie.
Jádrem každého SOFC je elektrolyt, keramická vrstva, která pohybuje nabitými částicemi mezi elektrodami palivového článku. Ve vodíkových článcích tato vrstva nese vodíkové ionty (protony), což umožňuje generovat elektřinu. Elektrolyty jsou tvořeny atomy uspořádanými v krystalové mřížce a protony se pohybují mezerami mezi těmito atomy. Aby se však tyto protony pohybovaly dostatečně rychle pro efektivní provoz, potřebuje elektrolyt extrémně vysoké teploty. 
Vědci roky testovali různé materiály a chemické příměsi, které modifikují jejich vlastnosti v naději, že zvýší rychlost pohybu protonů mřížkou. Přidáním chemických příměsí se sice zvýšil počet mobilních protonů procházejících elektrolytem, ale ten ucpává krystalovou mřížku a zpomaluje protony. Hledali proto krystaly oxidů, které by mohly pojmout mnoho protonů a umožnit jim volný pohyb – rovnováhu, kterou nová studie nakonec dosáhla. 

Řešení problému krystalové mřížky
Průlom v podobě snížení potřebné reakční teploty na 300 °C se podařil s využitím speciálně upravených keramických materiálů. Vědci zjistili, že dva oxidy, cíničitan barnatý (BaSnO3) a titaničitan barnatý (BaTiO3), dopované vysokým obsahem skandia (Sc), dosáhly cílové vodivosti protonu více než 0,01 S/cm při 300 °C, což je vodivost podobná té, které dosahují dnešní elektrolyty SOFC při 600–700 °C. 
Jejich oxidové materiály dopované skandiem vytvářejí širokou a měkkou dráhu, která umožňuje protonům rychlý pohyb bez ucpávání krystalové mřížky, což řeší desetiletí trvající bariéru ve vývoji palivových článků na bázi tuhých oxidů.
„Strukturální analýza a molekulárně dynamické simulace odhalily, že atomy Sc spojují okolní kyslíky a vytvářejí tzv. dálnici ScO6, po níž se protony pohybují s neobvykle nízkou migrační bariérou. Tato dráha je široká a zároveň jemně vibrující, což zabraňuje zachycování protonů. Data z mřížkové dynamiky dále odhalila, že BaSnO3 a BaTiO3 jsou ze své podstaty ‚měkčí‘ než konvenční materiály SOFC, což jim umožňuje absorbovat mnohem více scandia, než se dříve předpokládalo,“ říká Jošihiro Yamazaki. 
Tyto výsledky převracejí dlouhodobý kompromis mezi přidáváním většího množství příměsí a udržováním rychlého pohybu iontů a avizují slibnou cestu k cenově dostupným nízkoteplotním palivovým článkům SOFC pro střední teploty. 
Kromě palivových článků lze stejný princip aplikovat i na další technologie, jako jsou nízkoteplotní elektrolýzy, vodíková čerpadla a reaktory, které přeměňují CO2 na cenné chemikálie. 

Vladimír Kaláb
Foto: Univerzita Kjúšú, Toyota

Publikováno: 10. 3. 2026 | Počet zobrazení: 184 38