Závislost na vodě byla po desetiletí Achillovou patou vodíkových palivových článků, tedy zařízení, která vyrábějí elektřinu spojením vodíku a kyslíku a uvolňují pouze vodní páru a teplo.
Nyní se zdá, že vědci z Monash University v Austrálii našli řešení: ultratenkou membránu, která jim umožňuje pracovat při teplotě 250 °C za zcela suchých podmínek. Podrobnosti o objevu uvádí prestižní časopis Science Advances.
Běžné membrány používané ve vodíkových článcích, zejména ty vyrobené z Nafionu, syntetické pryskyřice hojně využívané v tomto odvětví, vyžadují neustálou hydrataci, aby jimi mohly cirkulovat protony, tj. jádra atomů vodíku, která nesou elektrický náboj. Kvůli tomuto omezení je nutné udržovat provozní teplotu pod 80-100 °C, protože nad tímto rozmezím se voda odpařuje a palivový článek přestává fungovat. Odstranění této závislosti je dlouhodobým problémem.
Provoz při teplotě 250 °C zcela mění konstrukci a možnosti těchto článků a odborníci australského týmu zdůrazňují tři přímé důsledky:
- Lehčí a kompaktnější systémy: Již žádné složité zvlhčovací obvody a obvody pro hospodaření s vodou, které zvyšují hmotnost, objem a náklady stávajících vodíkových vozidel.
- Větší tolerance vůči nečistotám: Při této teplotě je platinový katalyzátor mnohem odolnější vůči přítomnosti oxidu uhelnatého, což by umožnilo používat vodík nižší čistoty a v důsledku toho i hospodárnější.
- Zjednodušené chlazení: Díky práci s vyšším tepelným gradientem ve srovnání s okolím mohou být chladiče menší a vozidla mohou být celkově lehčí.
Takto byla zkonstruována membrána. Výzkumníci Huanting Wang a Kaiqiang He, kteří mají projekt na starosti, vyrobili atomárně tlusté nanovrstvy kombinací grafenu, materiálu složeného z jedné vrstvy atomů uhlíku, a nitridu boru, keramické sloučeniny s podobnou krystalickou strukturou. Mezi tyto dvě vrstvy vložili kyselinu fosforečnou v takzvaném nanokonfinovaném stavu: kyselina je uzavřena v tak malých prostorách, že nemůže uniknout ani se odpařit, a to ani při teplotě 250 °C.
Výsledným produktem je membrána o tloušťce pouhých 50 mikrometrů, což je asi polovina průměru lidského vlasu, která dostala název GBP. Funguje jako jakási suchá dálnice, po níž se protony pohybují vysokou rychlostí, aniž by potřebovaly sebemenší množství vody.
Wang, profesor na katedře chemického a biologického inženýrství v Monashi, vysvětluje, že „kombinací protonově vodivých nanovrstev s nano-ohraničenou kyselinou fosforečnou jsme vyvinuli membránu, která udržuje rychlý transport protonů bez vody„. Autoři popisují tento proces jako synergický: protony procházejí přímo skrze hexagonální kruhy přítomné ve struktuře grafenu a nitridu boru a současně přeskakují podél sítě vodíkových vazeb vytvořených kyselinou uvězněnou mezi vrstvami. Zdůrazňuje, že právě tato dvojí transportní cesta zajišťuje GBP vysokou vodivost a pozoruhodnou stabilitu za sucha a vysokých teplot.
Laboratorní testy přinesly působivé údaje: membrána GBP dosáhla protonové vodivosti 166 mS cm-¹ při teplotě 250 °C a při začlenění do vodíko-kyslíkového zásobníku generovala hustotu výkonu 1 011 mW cm-², což jsou hodnoty, které výrazně převyšují hodnoty běžných membrán. Aby tým ověřil trvanlivost systému, udržoval jej v nepřetržitém provozu po dobu 150 hodin při stejné teplotě bez známek degradace.
Konverzace o vodíku se často točí kolem automobilů, ale australští výzkumníci upozorňují, že potenciál této membrány je mnohem širší. Membrána GBP byla totiž testována také v přímých metanolových článcích, což je typ článku, který jako palivo používá metylalkohol, a dosáhla hustoty výkonu 502 mW cm-² s 16M koncentrovaným metanolem při teplotě 250 °C. Tento výkon z ní činí kandidáta na přímý metanolový článek. Díky tomuto výkonu je membrána vhodná pro použití v přímých metanolových článcích a stává se tak kandidátem pro přenosné systémy, kde je skladování čistého vodíku obtížné.
Autoři studie rovněž poukazují na možné využití v datových centrech, letectví, železniční dopravě, průmyslových závodech a nemocnicích jako záložní zdroj energie. Kromě toho by se tato technologie mohla uplatnit i v dalších elektrochemických procesech důležitých pro přechod k energetice, jako je elektrolýza vody, tj. štěpení molekul vody na vodík a kyslík, redukce oxidu uhličitého nebo syntéza čpavku.
Vodíkové palivové články patří mezi nejslibnější technologie pro eliminaci emisí v těžké dopravě, průmyslu a dalších oblastech, kde mají lithiové baterie omezení z hlediska hmotnosti, dobíjení nebo dojezdu. Rychle se plní palivem a nabízejí podobný dojezd jako benzínové motory. Pokud se průlomovému objevu z Monashovy univerzity podaří přejít z laboratoře do průmyslové výroby, mohla by kombinace levnějších palivových článků, vodíku nižší čistoty a zjednodušených systémů výrazně urychlit zavádění této technologie.
Stejně jako u každého laboratorního průlomu je nutná opatrnost. Ještě je třeba rozšířit výrobu membrány GBP do průmyslového měřítka, zajistit její dlouhodobou životnost mimo kontrolované podmínky a zajistit její cenovou konkurenceschopnost. Dosud získané údaje však vybízejí k opatrnému optimismu v oboru, který již léta hledá přesně takovýto průlom.