Metale ziem rzadkich a elektrochemiczne wynalazki inżynieryjne – czyli o zwiększeniu efektywności ogniw paliwowych typu PEMFCCzas czytania: 8 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Naukowcy oraz inżynierowie nieustannie poszukują kolejnych rozwiązań, które pozwolą na rozwikłanie rozmaitych problemów technologicznych, zwiększenie wydajności poszczególnych urządzeń i podzespołów, wzrost efektywności danego procesu, redukcję kosztów określonej technologii czy zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska płynącego z jej wykorzystania. Nauka idzie więc w parze z inżynierią, bowiem wielokrotnie wynalazki technologiczne pozwalały jej na stawianie kolejnych kroków i lepsze poznawanie otaczającej nas rzeczywistości¹, a odkrycia naukowe z kolei umożliwiają rozwój cywilizacyjny oraz postęp technologiczny. Jednym z takich wynalazków są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów, PEMFC (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell), nazywane również ogniwami paliwowymi z polimerowym elektrolitem, PEFC (ang. Polymer Electrolyte Fuel Cell). Jest to rodzaj ogniw paliwowych wykorzystywanych głównie w przemyśle transportowym, jednak ich liczne zalety mogą stać się przyczynkiem do wykorzystania także w innych gałęziach nauki i technologii, np. przez astronautów, dzięki czemu możliwe będzie jeszcze lepsze poznanie przestrzeni kosmicznej. Aby jednak omówić możliwości wykorzystania ogniw PEMFC, należy zwrócić uwagę na mechanizm ich działania.

Ogniwa PEMFC – zasada działania

PEMFC wykorzystują odkrycia z zakresu elektrochemii, bowiem opierają się na zjawisku dysocjacji elektrolitycznej, a rolę elektrolitu odgrywa prefluorowany polimer zawierający silnie kwasowe grupy sulfonowe. Jest on uformowany w membranę i pokryty porowatą platyną, która pełni funkcję katalizatora. Elektrody (katoda i anoda) stanowią dwa arkusze grafitowanego papieru, które od zewnętrznej strony są pokryte teflonem. Całość jest sprasowana i w swojej ostatecznej formie osiąga grubość zaledwie około 1 mm. Kanalikami w elektrodach są doprowadzane substraty do reakcji elektrochemicznych oraz odprowadzana jest woda w postaci ciekłej lub gazowej, jako produkt wspomnianych przemian. Reakcje, które przebiegają w ogniwach PEMFC, są w gruncie rzeczy dość proste, jednak parametry ich pracy (temperatura w granicach 70–150^oC oraz ciśnienie w przedziale 0,1–1,0 MPa) pozwalają na napędzanie samochodów (są to tzw. samochody wodorowe), a nawet autobusów².

Dostarczany strumień wodoru jest po stronie anodowej katalitycznie rozbijany na protony [H⁺] i elektrony [e^–], co jest przedstawione za pomocą równania:

2H₂ → 4H⁺ + 4e^–

Nowo utworzone protony przenikają przez membranę elektrolitu polimerowego do strony katodowej. Elektrony również przemieszczają się do katody, jednak wzdłuż zewnętrznego obwodu, dzięki czemu tworzą prąd wyjściowy całego ogniwa paliwowego. Po stronie katodowej dostarczany jest strumień tlenu [O₂], którego cząsteczki reagują z protonami przenikającymi przez membranę elektrolitu oraz elektronami przechodzącymi przez obwód zewnętrzny. W ten sposób powstaje woda, a cała reakcja wygląda następująco:

O₂ + 4e^– + 4H⁺ → 2H₂O

Wady i zalety ogniw PEMFC

Wśród zalet ogniw PEMFC niewątpliwie należy wymienić: bezpieczną pracę dzięki obecności elektrolitu w formie stałej; niską temperaturę eksploatacji; łatwy rozruch polegający wyłącznie na zapoczątkowaniu reakcji elektrochemicznej; wysoką gęstość prądu elektrycznego, wynikającą z intensywnego przepływu elektronów; a także znaczenie ekologiczne, bowiem jedynym produktem reakcji chemicznych zachodzących w tych ogniwach jest woda, a nie szkodliwe spaliny. Należy wspomnieć także o wadach, czyli powstawaniu znacznej ilości wody, która może nie zdążyć wyparować z ogniwa (a przez to je uszkadzać), oraz wysokiej podatności katalizatora platynowego na tlenek węgla (II) [CO]³. Wady te nie przyćmiewają niewątpliwych zalet i nadziei wiązanych z PEMFC, bowiem ogniwa o wysokiej wydajności, które jednocześnie posiadają tak kompaktowe rozmiary i nie wydzielają do atmosfery żadnych szkodliwych związków, stanowią dobre rozwiązanie nie tylko dla pojazdów mechanicznych, ale także mogą być stosowane w małych urządzeniach, takich jak telefony komórkowe. Omawiany typ ogniw paliwowych jest również wiodącym kandydatem do zastąpienia starzejącej się technologii alkalicznych ogniw paliwowych wykorzystywanych w promach kosmicznych⁴. Aby jednak technologia ta mogła być stosowana na tak ogromną skalę, ogniwa PEMFC wymagają nieustannych udoskonaleń, dlatego też stanowią przedmiot badań naukowych nie tylko w dyscyplinie elektrochemii, ale również w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych, a nawet matematycznych⁵.

Perspektywy rozwoju PEMFC

O postępie technologii ogniw paliwowych typu PEMFC świadczą liczne publikacje naukowe dotyczące tej tematyki z 2021 roku. Przedmiotem badań jest m.in. wyznaczanie oporu transportu tlenu, skonstruowanie ogniw wysokotemperaturowych czy wykorzystanie produktów chloropochodnych, takich jak chloroalkalia⁶. Głównym celem prowadzonych badań jest zaprojektowanie nowej generacji ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów oraz poszerzenie zakresu ich wykorzystywania we współczesnej inżynierii i technice⁷. Jedną z najnowszych oraz bardzo ciekawych i istotnych prac dotyczących tej tematyki jest artykuł opublikowany na łamach czasopisma „Electrochimica Acta”, zatytułowany Enhanced Oxygen Reduction Activity With Rare Earth Metal Alloy Catalysts in Proton Exchange Membrane Fuel Cells [Zwiększona aktywność redukcji tlenu dzięki katalizatorom ze stopów metali ziem rzadkich w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów]. Autorzy sugerują, że jako materiały do budowy katalizatorów w ogniwach typu PEMFC, zamiast platyny można zastosować jej stopy z tzw. metalami ziem rzadkich, w których skład wchodzą w głównej mierze pierwiastki z grupy lantanowców. Badacze zauważają, że podejście takie ma dwie istotne zalety: zwiększa aktywność reakcji redukcji tlenu, a jednocześnie zmniejsza ilość wykorzystania cennego kruszcu, jakim jest platyna. W badaniu wykorzystano elektrody wykonane ze stopów platyny z gadolinem, itrem oraz terbem. Okazało się, że stop platyny z terbem wykazuje się 2-krotnym zwiększeniem aktywności właściwej ogniwa, a stopy platyny z gadolinem oraz itrem charakteryzują się aż 2,5-krotnym zwiększeniem aktywności ogniwa przy napięciu 0,9 V, w porównaniu z czystą platyną⁸.

Wykorzystanie stopów platyny z metalami ziem rzadkich jako materiałów do wykonania katalizatorów w ogniwach typu PEMFC jest więc bardzo korzystnym rozwiązaniem z wielu względów. Wspomniane stopy platyny generują niższe koszty produkcji takich ogniw niż bardzo wartościowa czysta platyna, ponadto metale ziem rzadkich są z reguły lżejsze od platyny, dzięki czemu również ogniwo wykonane z ich wykorzystaniem może okazać się lżejsze od klasycznego ogniwa PEMFC. Wysoka aktywność, jaką wykazują się ogniwa w tej wersji, jasno pokazuje, że katalizatory wykonane z tych materiałów mogą okazać się obiecujące dla reakcji elektrochemicznych w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów. Odkrycie to może stanowić poważny krok w kierunku rozwoju technologii kompaktowych oraz naukowej eksploracji przestrzeni kosmicznej.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 29.08.2021

Literatura: