Zvětšit obrázek

Profesorka Paula T. Hammondová, specialistka na syntézu makromolekul, tekuté krystaly, polymery,.. Nevšední to žena, neboť výčet ústavů a universit na kterých bádá, přednáší a jimiž je oceněna dosahuje téměř dvou desítek.

Palivový článek je elektrochemický zdroj proudu, ve kterém je energie získávána elektrochemickou oxidací paliva na záporné elektrodě a redukcí kyslíku na kladné elektrodě. Při této elektrochemické reakci se uvolňují volné elektrony na anodě a spotřebovávají se na katodě, čímž vzniká na článku elektrické napětí. Rozdíl mezi palivovým článkem a akumulátorem (baterií) je ten, že dodává elektrickou energii tak dlouho, dokud má přísun paliva.

Palivových článků existuje více typů. Liší se chemickým složením elektrolytu, provozními teplotami a druhem spalovaného paliva. Nízkoteplotní palivové články využívají kyslík (většinou ze vzduchu) a jako palivo jim slouží vodík nebo methanol. Vysokoteplotní články mohou spalovat i některá konvenční uhlovodíková paliva. Vylepšení technologie o které zde budeme referovat se týká pouze nízkoteplotního článku s polymerním elektrolytem, v němž se spaluje metanol. V odborné literatuře se pro tento typ článku vžila zkratka DMFC (Direct Methanol Fuel Cells).

Zvětšit obrázek

Schéma vodíkového palivového článku

K pochopení jak palivový článek funguje je nejsnazší použít příklad článku s polymerní membránou, kde palivem je vodík. Tento článek se skládá ze dvou elektrod, na jejichž povrchu se nachází slabá vrstva uhlíku obsahujícím malé množství platiny, která zde slouží jako katalyzátor. Elektrody jsou od sebe odděleny tenkou polymerní membránou, která propouští kladně nabité ionty (protony). Vodík je přiváděn na anodu. Tam při styku s katalyzátorem dochází k jeho disociaci na kladné ionty a elektrony. Protony se polymerní vrstvou proderou, ale elektrony musí udělat kolečko přes vnější okruh. Takto vzniklý proud lze zužitkovat na provoz různých přístrojů. Na katodě pak sloučením dvou protonů - kladně nabitých vodíkových iontů, dvou elektronů a atomu kyslíku vznikne voda. 

Zvětšit obrázek

Schéma metanolového palivového článku

U palivového článku na metanol (DMFC) se na anodě oxiduje metanol. Na rozdíl od vodíku má tento děj několik reakčních mezistupňů. Ty rychlost reakce zpomalují a výsledkem je, že tento článek má od výše zmíněného vodíkového, nižší napětí. V praxi to funguje tak, že se k anodě nepřivádí jen metanol, ale metanol ředěný vodou. Při procesu jeho oxidace se odpoutávají elektrony a ty jako proud tečou vodičem na katodu.  Kladné ionty se propasírují přes iontoměničovou membránu. Pro tento proces je charakteristický vznik oxidu uhličitého.

Palivo: CH₃OH
Anoda:  CH₃OH + H₂O -> CO₂ + 6H⁺ + e^-
Katoda: 3/2O₂ + 6H⁺  + 6e^-  -> 3H₂O
Celková reakce: CH3OH + 3/2O₂ -> CO₂ + 2H₂O

Zvětšit obrázek

Plnění metanolového palivového článku zabudovaného v MP3 přehrávači firmyToshiba.

Paula T. Hammondová, vedoucí výzkumného týmu na MIT, tvrdí, že se jim podařilo připravit  materiál, který  nahradí tradiční membrány používané v palivových článcích. K takovému tvrzení má v rukávu několik trumfů. Materiál vyvinutý v MIT je totiž levnější a přitom je schopen z článku dostat více energie. Podle Hammondové to ale ještě není všechno. Jejich materiál se prý uplatní i v dalších elektrochemických systémech, například v obyčejných bateriích.

Zvětšit obrázek

Nafion,
tetrafluoretylenový kopolymer je základem nejpoužívanějších membrán v palivových článcích. Nejedná se přitom o horkou novinku, ale o polymerní protonový vodič, který objevil Walther Grot již v šedesátých letech minulého století.

Starší typy metanolových palivových článků jsou již na trhu. Jejich užití je ale omezené. Důvodů je několik. Mezi ty hlavní patří fakt, že materiál, který se používá na rozvrstvení elektrolytu mezi elektrodami je drahý. Ještě důležitější komplikací je, že materiál, který se k tomu používá (nazývá se Nafion) je pro metanol prostupný. Tím dochází k jeho ztrátám únikem přes vnitřní struktury článku. Takto ztracené palivo nemůže být na el. proud využito a účinnost zařízení tím klesá.
Relativně novou metodou, při které výsledný film vzniká kladením jednotlivých vrstev nového materiálu na sebe vědci vytvořili alternativu dosud používané membráně Nafion.

 Výhodou nově vyvinutého materiálu je jeho možnost „vyladit“ strukturu filmu s přesností několika málo nanometrů. Výsledkem je malá propustnost takové vrstvy pro metanol, přitom je údajně zachována její vodivosti (schopnost převádět protony) a to na  úrovni, kterou vykazuje membrána Nafion.  

Zvětšit obrázek

Nahradit by jej měla membrána, která zvyšuje účinnost palivových článků o polovinu. Odborníci této látce prorokují uplatnění i v dalších oblastech. Její složení vědci zatím tají. (Kredit: Avni Argun a Nathan Ashcraft, MIT)

Ze své kuchyně američtí vědci nezveřejnili z čeho novou membránu dělají. Zveřejnili jen několik výsledků z jejich pokusů. Například ten, když jejich novým materiálem pokryli klasickou membránu z Nafionu. Poté takto vylepšený palivový článek dosáhl vyšší kapacity o více než 50%.

Vědci předpokládají, že jejich nový materiál zcela nahradí drahý Nafion.   Práce již běží a výsledkem má být levný film konzistencí připomínající plastikový sáček. Na tyto pokusy již vědci získali sponzora. Je jím firma DuPont. Kromě toho další vylepšování membrány podpořil ze svého rozpočtu stát (udělením grantu). Do třetice přispěl finančními prostředky i jejich mateřský výzkumný ústav (MIT).  Proč tolik zájmu? Inu proto, že se očekává komerční úspěch a to nejen v oblasti palivových článků. Želízkem v ohni má být totiž i využití této membrány ve fotovoltaice.  

Pramen: Massachusetts Institute of Technology