Chodzi w tej przesadzie o to, że inżynierowie projektujący sprzęt na lata wolą zostawić sobie margines bezpieczeństwa, zamiast ryzykować degradację elementu wartego fortunę. Wiecie – coś na zasadzie budowania mostów znacznie ponad ich docelowe obciążenie. W przypadku elektrolizerów jednak dopiero kolejne lata badań pokazują, gdzie taki margines można drastycznie zmniejszyć i nie stracić ogólnej pewności. Tak właśnie stało się z jednym z drogich elementów elektrolizerów PEM, a cała sprawa rozgrywa się na poziomie zaledwie kilkudziesięciu nanometrów.
Zielony wodór potrzebuje drogich metali
Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu skupili się na elektrolizerach PEM, czyli urządzeniach wykorzystujących membranę protonowymienną do rozdzielania wody na wodór i tlen. Jest to szczególnie interesująca technologia z punktu widzenia odnawialnych źródeł energii, bo tego typu elektrolizery dobrze radzą sobie ze zmiennym obciążeniem. Mogą więc reagować na to, że farma fotowoltaiczna lub wiatrowa raz produkuje ogrom energii, a chwilę później znacznie mniej.
Czytaj też: Wiązania siarka–siarka w strukturach MOF. Tani fotokatalizator produkuje zielony wodór
Problem zaczyna się wewnątrz samego urządzenia. Środowisko pracy elektrolizera jest wyjątkowo nieprzyjazne dla metali, dlatego ważną rolę odgrywają w nim odporne na korozję tytanowe płyty bipolarne. Odpowiadają one m.in. za przewodzenie prądu, transport wody i gazów oraz mechaniczną stabilność całej konstrukcji. Według Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu mogą przy tym odpowiadać nawet za 30 procent kosztu systemu.
Sam tytan ma jednak pewną irytującą cechę. Na jego powierzchni powstaje warstwa tlenku, która wprawdzie pomaga chronić metal, ale jednocześnie utrudnia przepływ prądu. Rozwiązaniem jest pokrycie powierzchni platyną, która dobrze przewodzi elektryczność i radzi sobie w tak agresywnym środowisku. Tyle że platyna tania nie jest i nie bez powodu pisałem już o podobnym problemie przy ogniwach paliwowych próbujących zastąpić kosztowną platynę znacznie tańszymi materiałami. W świecie wodoru walka coraz częściej toczy się więc nie tylko o większą sprawność, ale też o usunięcie z urządzeń każdego grama metalu, którego wcale nie musimy tam umieszczać.
200 nanometrów to za dużo. Wystarczą 24 nm
Austriaccy naukowcy zadali w tym przypadku banalnie brzmiące pytanie: jak gruba rzeczywiście musi być platynowa powłoka?
W przemyśle stosowane są warstwy mające około 200 nanometrów grubości, ale eksperyment przeprowadzony w Wiedniu wykazał, że w badanych warunkach wystarczyło około 24 nm. Mówimy więc o warstwie tak niewiarygodnie cienkiej, że jej grubość jest tysiące razy mniejsza od średnicy ludzkiego włosa. Co najważniejsze, po przeprowadzeniu testów elektrochemicznych nadal pozostawała ona w dużej mierze nienaruszona i zachowywała dobre przewodnictwo. Różnica między 200 a 24 nanometrami oznacza potencjalne ograniczenie wykorzystania platyny w tej konkretnej powłoce aż o około 88 procent i właśnie określenie “w tej konkretnej powłoce” jest tutaj kluczowe.
Czytaj też: Nowy sposób na wykorzystanie energii Słońca. Nie trzeba fotowoltaiki, by pozyskać wodór
Musimy jednak pamiętać, że naukowcy nie ograniczyli tym samym całego kosztu produkcji zielonego wodoru o 88 procent. Nie zmniejszyli nawet o 88 procent całkowitego zapotrzebowania elektrolizera PEM na metale szlachetne. O tyle może spaść tylko zużycie platyny w warstwie ochronnej badanych tytanowych płyt bipolarnych i to nadal bardzo dużo, zwłaszcza jeśli rozwiązanie uda się przenieść z laboratorium do wielkoskalowej produkcji, ale elektrolizery PEM mają więcej kosztownych elementów. Problemem pozostają membrany, tytan oraz metale szlachetne wykorzystywane w katalizatorach, a szczególnie iryd. W dodatku sami badacze z Wiednia zaznaczają, że optymalna grubość powłoki będzie zależała m.in. od sposobu jej nanoszenia oraz tego, jak równomiernie pokrywa powierzchnię.
Co ciekawe, badacze sprawdzili również powłokę o grubości około 8 nm i wtedy oszczędzanie zaczęło się już mścić.
Mikroskopijna wada może zacząć niszczyć całą powłokę
Osiem nanometrów platyny początkowo może wyglądać wystarczająco dobrze, ale problem ujawnia się podczas pracy. Jeśli w tak cienkiej powłoce powstanie defekt, to agresywne środowisko uzyskuje dostęp do znajdującego się pod nią tytanu. Wtedy tytan zaczyna się utleniać, a na granicy materiałów mogą dodatkowo pojawiać się niewielkie pęcherzyki tlenu. Następnie powstające naprężenia uszkadzają powłokę jeszcze bardziej, odsłaniając kolejne fragmenty metalu. W efekcie drobna niedoskonałość może rozpocząć samonapędzający się proces degradacji.
Czytaj też: Zielony wodór i cenne związki w jednym. Przełomowa technologia z Izraela
Właśnie ten problem naukowcy zaobserwowali przy warstwie około 8 nm. Po obciążeniu elektrochemicznym pojawiały się większe defekty, a w elektrolicie wykrywano znacznie więcej jonów tytanu oraz platyny. Warstwa o grubości około 24 nm zachowywała się zupełnie inaczej. Pozostawała w dużej mierze nienaruszona, zachowała dobre właściwości elektryczne i ograniczała uwalnianie metali do bardzo niskiego poziomu.
Nie chodzi więc o to, żeby platyny użyć po prostu jak najmniej. Trzeba znaleźć granicę, przy której dalsza oszczędność zaczyna być droższa od materiału, który próbowaliśmy oszczędzić. Zresztą właśnie dlatego to badanie wydaje mi się ciekawsze, niż sugerowałoby kolejne hasło o “przełomie w produkcji wodoru”. Już wcześniej mieliśmy elektrolizer Hysata próbujący radykalnie poprawić sprawność produkcji wodoru, a obecnie powstają całe systemy energetyczne łączące ogromne źródła OZE bezpośrednio z produkcją wodoru. Jeszcze inną drogą idą badania nad wykorzystaniem tańszych katalizatorów czy nawet zupełnie innych metod wytwarzania tego paliwa.
Walka o tańszy wodór trwa więc w najlepsze i to na wielu etapach produkcji.
Źródła: Uniwersytet Techniczny w Wiedniu, ACS
