Ciepło z ogniwa może uwalniać kolejne porcje wodoru
Ogniwo paliwowe zamienia wodór w prąd i wydziela przy tym ciepło. Nowy kompozyt zaczyna proces uwalniania wodoru już przy około 77 st. C, dlatego część energii zwykle traconej jako ciepło mogłaby przygotowywać kolejną porcję paliwa.
Wodór dopływa ze zbiornika do ogniwa paliwowego. Nie płonie tam jak w silniku, lecz reaguje z tlenem, wytwarzając prąd, wodę i ciepło. Prąd napędza pojazd lub zasila urządzenie, a ciepło zwykle trzeba odprowadzić. Skierowane z powrotem do zbiornika mogłoby jednak uwalniać kolejną porcję wodoru. Zużywane paliwo pomagałoby w ten sposób przygotować następne. Układ wykorzystywałby więc produkt uboczny, jakim jest ciepło, które normalnie uchodzi do otoczenia.
Taka możliwość byłaby cenna, bo magazynowanie pozostaje jednym z największych problemów energetyki wodorowej. Wodór zawiera dużo energii w przeliczeniu na kilogram, lecz jako gaz ma małą gęstość. Dlatego spręża się go zwykle do 350 lub 700 barów w ciężkich, wytrzymałych zbiornikach. Można go też skroplić, ale wymaga to temperatury bliskiej minus 253 st. C. Oba rozwiązania pochłaniają energię i komplikują instalację.
Alternatywą jest związanie wodoru w stałym materiale. Wodorki, czyli związki wodoru z innymi pierwiastkami, mogą pochłaniać gaz, a po ogrzaniu go oddawać. Pozwala to myśleć o przechowywaniu przy niższym ciśnieniu. Wiele lekkich wodorków wymaga jednak temperatury znacznie wyższej niż 60–80 st. C osiąganej przez ciepło odpadowe typowego ogniwa. Potrzebny jest więc osobny układ grzewczy, który zużywa część wytworzonej energii.
Badacze z Wielkiej Brytanii, Belgii, Polski i Chin próbowali obniżyć temperaturę uwalniania wodoru przez zmianę proporcji składników. Przygotowali kompozyty z amidku magnezu, wodorku litu i borowodorku litu. Najciekawszy okazał się materiał z dużym udziałem ostatniego związku.
Wybrany kompozyt zaczął wydzielać wodór przy 350 kelwinach, czyli około 77 st. C. Było to o około 100 stopni mniej niż w podobnym układzie bez borowodorku litu i zarazem w zasięgu ciepła odpadowego ogniwa. Poniżej 127 st. C materiał uwolnił około 1,2 proc. swojej masy w postaci wodoru, a łączna pojemność zmierzona podczas ogrzewania do 227 st. C wyniosła 3,12 proc. Wynik pokazuje więc początek obiecującego obiegu: ciepło powstające w ogniwie może uruchomić następną porcję paliwa. Nie wystarcza jeszcze do wykorzystania całego zapasu, ponieważ najszybsze wydzielanie gazu następowało dopiero przy około 149 st. C. Badanie wyznacza jednak jasny kierunek: większą część reakcji trzeba przenieść do zakresu 60–80 st. C i zwiększyć pojemność materiału.
Co ważne, w trakcie reakcji nie wykryto emisji amoniaku, który w podobnych materiałach zanieczyszcza gaz i może z czasem zmniejszać pojemność magazynu. Pomiary rentgenowskie w synchrotronie ujawniły co najmniej dwie nieopisane wcześniej fazy pośrednie. Autorzy przypuszczają, że wraz z częściowym topieniem materiału ułatwiają one ruch jonów, a przez to uwalnianie wodoru. Mechanizm wymaga jednak jeszcze potwierdzenia.
Proszki poszczególnych wodorków przygotowano przez reaktywne mielenie w argonie: zderzenia stalowych kul rozdrabniały składniki i dostarczały energii do reakcji. Za tę część badań odpowiadał płk dr hab. inż. Marek Polański, prof. WAT, z Zakładu Materiałów Funkcjonalnych i Technologii Wodorowych Wojskowej Akademii Technicznej. Projekt wspierało również Narodowe Centrum Nauki, a jego wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym „Nature Communications”.
Do działającego magazynu wodoru na skalę przemysłową pozostaje daleka droga. Zdolność materiału do ponownego pobierania i oddawania wodoru sprawdzono tylko w trzech cyklach. Po trzecim nadal mógł on przechować blisko 3 proc. wodoru w stosunku do swojej masy, ale oddawał go wolniej, a uwalnianie gazu zaczynało się dopiero przy około 115 st. C zamiast 77 st. C. Wielokrotne używanie nie zmniejszyło więc wyraźnie pojemności, lecz pogorszyło łatwość odzyskiwania paliwa. Pomiary prowadzone przy około 130 st. C wskazały ponadto ciśnienie równowagi rzędu 100 barów, czyli niższe niż w obecnych zbiornikach na sprężony wodór, ale nadal wysokie. Potrzebne są testy obejmujące co najmniej 50 cykli oraz próby z rzeczywiście pracującym ogniwem paliwowym.
Jeśli uda się uwalniać dostatecznie dużo wodoru samym ciepłem z ogniwa, zbiornik i ogniwo mogłyby utworzyć jeden połączony układ. Każda zużyta porcja paliwa pomagałaby przygotować następną — aż do wyczerpania zapasu. Otwiera to perspektywę instalacji potrzebujących mniej dodatkowego ogrzewania i niższych ciśnień niż obecne zbiorniki gazowe. Na razie jest to jednak kierunek rozwoju, a nie gotowa technologia.
Przeczytaj także: Prezes ICEYE: Europa musi budować wspólne bezpieczeństwo w kosmosie
Źródło: naukawpolsce.pl
Last Updated on 18 września, 2026 by Aleksandra Fenikowska