Student World

 ***tisková zpráva společnosti Basf

Pokud čekáte při pohledu na startující motorový kluzák Antares DLR-H₂ burácení motoru, budete překvapeni: letoun se z plochy vznese prakticky neslyšně. A neucítíte ani zápach paliva – Antares je totiž vůbec prvním letounem, který je poháněn výlučně vodíkem. Systém, který to umožňuje, se skrývá po křídly letounu. Právě zde se vytváří elektřina pro elektronické systémy letounu a elektrický motor. Srdcem systému je sestava keramických elektrod (zkráceně MEA), kterou vyvinula divize BASF Fuel Cell (BFC). V těchto keramických elektrodách se chemická energie vytvořená reakcí mezi kyslíkem a vodíkem přeměňuje přímo na elektřinu a teplo.

Antares DLR-H₂ byl vyvinut Německým leteckým střediskem (DLR) a společností Lange Aviation s cílem otestovat potenciál palivových článků pro použití v letectví. „Společnost BASF se pilotního projektu účastní zejména proto, že chce podpořit rozvoj netradičních zdrojů energie, jejíž skutečný rozmach čekáme v blízké budoucnosti, a to zdaleka nikoli pouze v oblasti letectví,“ zdůrazňuje dr. Carsten Henschel z BFC. „V nynější době nedostatku omezených zdrojů energie mohou palivové články přispět například k zajištění plynulé dodávky energie. Vodík lze totiž získávat z široké škály zdrojů: od větru, přes solární energii až po zemní plyn nebo naftu. Tato technologie je navíc podstatně efektivnější než ostatní běžně používané a jejím jediným odpadním plynem je vodní pára.“

Velkým úkolem je nyní pro výrobce sestavit co nejmenší a nejlehčí systém na bázi palivových článků, který by mohl být využit v praxi. Klíčem k dosažení toho cíle je, aby systém měl co nejméně komponent. Běžné systémy na palivové články fungují při teplotách maximálně 80 stupňů Celsia – proto potřebují značný počet pomocných jednotek a také velice složitý ovládací systém, který bude u letadla fungovat jak na zemi, tak ve vysokých výškách. Technologie MEA, kterou vyvinul koncern BASF, nyní otevírá konstruktérům zcela nové možnosti: tato novinka spočívá ve světově první komerčně dostupné membráně pro palivové články, jež umožňuje provozní teploty až 180 stupňů Celsia. Nové systémy jsou prodávány pod značkou Celtec^®. Palivové články obsahující tento materiál lze chladit vzduchem, takže není třeba vůbec používat vodu. Tím se eliminuje potřeba zvlhčovačů vzduchu, vodních pump, nádrží, ventilů a čistících systémů.

Výjimečná účinnost membrány Celtec není na první pohled zjevná: tenký obdélníček velikosti lidské dlaně vypadá jako kus zcela běžné plastové fólie. Výzkumníkům společnosti BASF se nicméně podařilo vyrobit membránu, jež jako hlavní komponentu používá tepelně-stabilní polymer polybenzimidazol. Tento plast – používá se mimo jiné i k výrobě obleků pro hasiče – propůjčuje membráně odolnost proti žáru. Vysoká provozní teplota rovněž zabraňuje tomu, aby se na platinové elektrodě (anodě) hromadily nečistoty obsažené ve vodíku. V MEA funguje platina jako katalyzátor spouštějící elektrochemickou reakci. Nečistoty by její funkci katalyzátoru však blokovaly. Vzhledem k tomu, že palivové články o vysoké teplotě tolerují vyšší úroveň nečistot ve vodíku než systémy fungující o nízké teplotě, je čištění vodíku podstatně jednodušší – díky tomu je systém palivových článků ještě robustnější, jednodušší a v neposlední řadě i levnější na výrobu. „Díky materiálu Celtec potřebují nyní systémy využívající palivové články o třetinu méně komponent. Celkové náklady na výrobu se tak sníží o plných 40 procent. Právě vývoj této membrány odolné vůči vysokým teplotám konečně udělal z technologie palivových článků zajímavý komerční produkt,“ vysvětluje odborník BFC Henschel.

Aby palivový článek dokázal vyprodukovat dostatečně elektřiny pro praktické použití – jako je například pohánění motorového kluzáku Antares – je třeba seřadit několik takových článků do série, neboť jeden palivový článek dokáže vyprodukovat zhruba jen 600 až 700 milivoltů. Dánská společnost Serenergy vyvinula speciálně pro letoun Antares výrazně odlehčenou, vzduchem chlazenou soustavu, jež obsahuje stovky palivových článků vybavených technologií Celtec MEA. Každá MEA je přitom uzavřena v matici elektricky vodivých grafitových plátů. Ty spojují jednotlivé palivové články, vedou elektřinu a speciálním vedením dodávají MEA kyslík a vodík. Díky tomuto důmyslnému vynálezu mohou palivové články vynést Antares do oblak.“

„Až úspěšně proběhnou všechny testovací lety prototypu Antares, chtěli bychom tento systém instalovat do Airbusu A320. Ten bude optimalizován pro použití ve velkém letounu, kde by měl v budoucnu zajišťovat efektivní výrobu elektrické energie, jež se spotřebovává na palubě,“ vysvětluje dr. Josef Kallo z DLR ve Stuttgartu. Ve velkém letounu pak bude palivový článek všestrannou součástkou: vyráběná elektřina se bude používat nejen jako zdroj energie na palubě, ale vedlejší produkty jako teplo a voda budou využívány jako „rozmrazovač“ pro křídla a teplá voda bude využívána i na toaletách. DLR má v plánu dokončit letové testy v roce 2010, potom bude palivový článek poprvé použit v letounu A320 ATRA, který vlastní DLR.

Vyhlídky do budoucna

Poptávka po produktech BASF Celtec je značně vysoká již dnes. Koncern BASF provozuje závod na výrobu palivových článků ve Frankfurtu nad Mohanem a letos v létě bude uveden do provozu nový závod v americkém Somersetu (stát New Jersey). Společnost BASF si vytvořila stálou zákaznickou základnu a rovněž se intenzivně podílí na výzkumných projektech sponzorovaných jak Evropskou komisí, tak německou spolkovou vládou. Produkt Celtec má v současné době objednáno na 150 firem a institucí, přičemž poptávka vykazuje stoupající tendenci s blížícím se uvedením produktu z laboratorní fáze na trh.

Palivové články odolné vůči vysokým teplotám by se v dohledné době mohly používat v přenosných zařízeních určených například pro kemping, jako zdroje tepla a elektřiny v soukromých domech a do budoucnosti rozhodně není vyloučeno ani jejich použití v automobilech. Technologie se těší rovněž značnému zájmu mezi výrobci elektroniky, neboť v tomto odvětví by palivové články našly uplatnění v mobilních telefonech, rádio zařízeních i přenosných počítačích.

Elektrochemie na rychlém vzestupu

Dějiny palivového článku se začaly psát roku 1838 v laboratořích německo-švýcarského chemika Christiana Friedricha Schönbeina a velšského fyzika Williama Roberta Grovea. Tito dva vědci tehdy společně udělali několik experimentů, v nichž zkoušeli využití palivových článků. Materiál byl tehdy bohužel velice obtížně dostupný, a tak na jejich vynález sedal prach v učebnicích elektrochemie. Do praxe tuto technologii uvedli teprve američtí letečtí konstruktéři zhruba o sto let později: palivový článek se vydal do kosmu společně s vesmírnými kapslemi Apollo.

Elektrochemická reakce v elektrolytové membráně z polymeru (PEM) se odehrává v sestavě keramických elektrod (MEA): na dvě elektrody této soustavy je neustále přiváděn vodík a kyslík – vodík na anodu, kyslík na katodu. Tyto dvě elektrody jsou od sebe oddělené polymerovou membránou. Za pomoci katalyzátoru je vodík rozkládán do pozitivně nabitých protonů a negativních elektronů. Polymerová membrána umožňuje přechod na druhou stranu pouze protonům, kdežto elektrony musejí putovat oklikou přes elektrický vodič: tudy je odváděn elektrický proud. Nakonec se protony a elektrony opět setkají na katodě s kyslíkem a při této reakci vzniká voda.

Oxidující činidlo kyslík je v přírodě hojně přítomen a do palivového článku se většinou dostává vzduchem, který obsahuje zhruba 21 procent kyslíku. Po elektrochemické reakci v palivovém článku je kyslík spotřebován a ze vzduchu tak zůstanou zbývající komponenty: dusík, vzácné plyny a oxid uhličitý. Tyto tři komponenty vytvářejí „inertující plyn“, kterého se palivový článek zbavuje na katodě. A podobně jako vedlejší produkty typu tepla i vody, i plyn uvolňovaný z katody lze využít na palubě letadla. Pokud je tento plyn zaveden do nádrže, výrazně snižuje zápalnost směsi leteckého paliva a vzduchu a tak zabraňuje explozím.

autor