Kontakt
Skupina fyziky povrchů
Katedra fyziky povrchů a plazmatu MFF UK

V Holešovičkách 747/2
CZ-180 00 Praha 8 - Libeň
Tel.: +420-95155-2776
GALERIE

Malé věci často skrývají netušeně velké možnosti. To je fyzika nanosvěta.

Funkční celky a prototypy

Zdaleka ne každý výsledek základního nebo i aplikovaného výzkumu najde uplatnění v běžné praxi. Kromě bazální funkčnosti systému je důležitá i stabilita zařízení a náklady potřebné na výrobu a provoz. Jinými slovy, kdyby byl objeven téměř nekonečný zdroj energie, ale fungoval by vždy jen krátce a za cenu neúměrných nákladů, nebyl by nikdy uveden do praxe. Exemplárním příkladem je termojaderná fúze, při které dochází k syntéze izotopů vodíku za vzniku helia a produkci velkého množství tepelné energie. Přesto, že jev je znám, popsán a laboratorně vyzkoušen a přesto, že jsou k dispozici téměř nevyčerpatelné zásoby vodíku ve vodě, v praxi zatím využíván není.

h2buscz.jpg HondaClarity.jpg

Obrázek 1.1: Nalevo je autobus (Triple hybrid: fuel cell/battery/ultra-capacitor) vyrobený ve firmě Škoda Electric Pilsen, ve kterém je použit palivový článek od firmy Proton Motors. Další podobné celosvětové projekty naleznete v seznamu. Napravo je sportovní vůz Honda Clarity (Viz také provozní test).

Dalším příkladem je palivový článek. Princip palivového článku byl objeven již v roce 1838 Christianem Friedrichem Schönbeinem. Jedná se o zdroj elektrické eneregie pracující na principu přímé přeměny chemické energie paliva na elektrickou energie bez mezistupně spalování (produkce páry) -> alternátor. Palivem může být vodík nebo jednoduše methanol, ethanol či jiná chemická sloučenina s vysokým spalným teplem. Navíc účinnost tohoto systému vysoce převyšuje konvenční způsoby pracující na fosilní paliva. Proč tato fantasticky znějící technologie nenašla praktické uplatnění dnes už celá staletí? Abychom mohli otázku zodpovědet, potřebujeme se nejdříve blíže seznámit s palivovým článkem. Reakce v palivovém článku běží za účasti katalyzátoru. Nutným požadavkem, který musí každý katalyzátor splnit, je umožnění průběhu dané reakce. Není to však zdaleka podmínkou postačující. Katalyzátor nesmí být při probíhajících reakcích nijak spotřebováván (viz def. katalyzátoru). Přibývá tedy další důležitý požadavek, kterým je stabilita katalyzátoru a odolnost vůči dalším chemikáliím, které mohou způsobit pasivaci povrchu katalyzátoru. Typickým katalytickým jedem je například oxid uhelnatý, který se bežně vyskytuje v našich městech v míře kolikrát větší než je zdrávo (viz zákoné limity, aktuální stav, výroční zprávy) nebo je přítomen rovnou ve vodíkovém palivu vlivem výrobního procesu.  Zatím všechny výše zmíněné požadavky splňuje pro vodíkový článek s polymerní membránou (existují i jiné typy palivových článků viz palivový článek:  tab. 1.1) katalyzátor vyrobený z prvků Pt a Ru. Oba kovy jsou drahé, a kdyby se technologie měla celosvětově rozšířit, není na planetě Zemi dostatek platiny a ruthénia na pokrytí poptávky. Přesto ale existuje celá řada prototypů (viz obr. 1.1 a seznam světových projektů na autobus s vodíkovým článkem). Pokud se ale bavíme o skutečné konstrukci funkčního celku připraveného pro sériovou výrobu, přibývá další důležitý požadavek, kterým je nízká cena a náklady na provoz. Požadavky na katalyzátor a tím i celé zařízení znějí:

  • Požadované katalytické vlastnosti.
  • Stabilita a odolnost vůči CO.
  • Nízké výrobní a provozní náklady.
  • Dodržení emisních limitů a jiných zákonů, což v případě vodíkového článku není problém.

 Právě vývojem levnějšího katalyzárotu pro vodíkové palivové články se na úrovni základního a aplikovaného výzkumu zabíváme i na našem pracovišti. Využívéme následujících technik:

na experimentálních zařízeních:

  • FC test station
  • Laboratorní XPS
  • Laboratorní magnetronová naprašovačka
  • Skenovací elektronový mikroskop na komemrčních zařízencíh MIRA X a LIRA X
  • Laboratorní STM/STS
  • SRPES na beam line v Trieste

 

Další problematikou, kterou se na úrovni základního a aplikovaného výzkumu zabýváme, jsou senzory plynů. Každý správný senzor musí být dobře citlivý, aby už při malé koncentraci hlídaného plynu vykázal dobře měřitelnou změnu elektrické veličiny (nejčastěji odporu). V praxi jsou ale na senzor kladeny další důležité požadavky. Senzor musí mít dobrou odezvu, což znamená, že hlídaný plyn je detekován již po velice krátké době expozice. Důležitá vlastnost je i selektivita senzoru. To znamená, že senzor by měl být citlivý pouze na zkoumaný plyn resp. skupinu plynů a neměl by být citlivý na jiné plyny. Další požadovanou vlastností je krátká tzv. mrtvá doba. Mrtvou dobou se označuje čas, kdy senzor krátkodobě ztrácí citlivost po předchozí expozici (např. hlásí přítomnost hlídaného plynu přesto, že mu již není vystaven.  Pokud chceme senzor používat skutečně v realných podmínkách, musí všechny tyto vlastnosti být dobře splněny i pro různé relativní vlhkosti atmosféry.  Požadavky na kvalitní senzor tedy jsou:

  • vysoká citlivost
  • rychlá odezva
  • dobrá selektivita
  • krátká mrtvá doba
  • minimální závislost na vlhkosti atmosféry

 

Tento text včetně vytvořené grafiky je přebírán z následující práce nebo byl napsán autorem v průběhu studia: FIALA, Roman. Studium nových katalyzátorů pro palivové články s polymerní membránou. Praha, 2017. Disertační práce. Universita Karlova. Matematicko-fyzikální fakulta.