Prezentacje projektów – Wyścig po tańsze ogniwa paliwowe
Obniżenie kosztów jest sprawą zasadniczą. Naukowcy i ekonomiści sądzą, że na dłuższą metę, ogniwa wodorowe są jednym z najlepszych kandydatów, by zastąpić paliwa kopalne w samochodach. Ale, jak długo technologia ta jest kosztowna, nie nastąpi to szybko. Obecnie, wiodącą technologię stanowią "Ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów" (PEMFC). Są one stosunkowo najtańsze, ale pomimo, iż ich koszt spadł znacznie od czasu, gdy ogniwa paliwowe były stosowane po raz pierwszy we wczesnych misjach prowadzonego przez NASA programu Gemini w latach sześćdziesiątych, to technologia taka jest nadal zbyt droga, by można było rozpocząć jej masową produkcję. Membrana wymiany protonów (PEM) jest sercem takich ogniw paliwowych. Istnieje możliwość wykorzystania innych paliw, takich jak ropa naftowa, ale wodór jest wymieniany najczęściej. A pracuje to w następujący sposób. Wodór jest pierwiastkiem, którego mamy pod dostatkiem we wszechświecie. Jego atom (H) składa się z elektronu, pojedynczego protonu i nie posiada neutronu. Cząsteczka wodoru (H2) wchodzi do ogniwa paliwowego i napotyka na anodę, która oddziela protony wodoru (2H+) od jego elektronów (2e-). Membrana przewodzi dodatnio naładowane jony, lub protony (H+), lecz nie elektrony, toteż protony przechodzą przez membranę do katody, natomiast elektrony muszą przemieszczać się po zewnętrznym obwodzie wokół membrany, by dotrzeć do katody. W miarę ich przemieszczania po takim obwodzie, generują one prąd. Po osiągnięciu katody, protony i elektrony reagują z tlenem, tworząc wodę. W ramach finansowanego przez UE projektu o nazwie "Membrany ogniw paliwowych oparte na funkcjonalnych fluoropolimerach" (Flupol), prowadzono prace mające na celu stworzenie tańszych membran przy użyciu fluoropolimerów – polimerów na bazie fluorowęgla z wieloma mocnymi wiązaniami węgiel-fluor. Jest to duże wyzwanie, ponieważ membrany PEM muszą spełnić szereg wymagań. Projektowanie nowego materiału dla tego celu jest sprawą złożoną, w opinii Justyny Walkowiak, prowadzącej badanie w ramach projektu Flupol, ponieważ nie można ograniczyć się do jednego tylko rodzaju właściwości. "Materiały takie muszą charakteryzować się wysoką przewodnością protonową, nie przewodzić elektronów, muszą posiadać niską przenikalność paliwa i środków utleniających, niską przepuszczalność wody poprzez dyfuzję i elektroosmozę, posiadać dalej stabilność utleniającą i hydrolityczną, dobre własności mechaniczne, powinny być tanie i nadawać się do wytwarzania zespołów elektrod membranowych," wyjaśnia Walkowiak. Takim najnowszym materiałem jest obecnie Nafion, wytwarzany przez koncern DuPonta. Jest to produkt dostępny w handlu, stosowany w samochodach i innych, przenośnych urządzeniach i sprzęcie. Materiał ten wytwarzany jest także przez innych producentów, posiada podobną konstrukcję, a wszystkie stosowane membrany wykonane są z polimerów. Polimery są ciągiem połączonych ze sobą monomerów, a monomery zbudowane są z atomów lub niewielkich cząsteczek, które tworzą wiązania chemiczne w długich łańcuchach z innymi monomerami. Jednym z najbardziej powszechnych naturalnych monomerów jest glukoza, która może wiązać się z innymi monomerami, tworząc polimery, takie jak celuloza i skrobia. Istnieją miliony polimerów, zarówno naturalnych, jak też syntetycznych. Wszystkie dostępne obecnie membrany tworzone są w oparciu o dwa lub trzy spokrewnione monomery, a także wszystkie zawierają polimery fluorowęglowe jednego lub różnych rodzajów. Strategia projektu Flupol polegała na badaniu aromatycznych polimerów fluorowanych. W dziedzinie chemii organicznej, związki aromatyczne zawierają w swojej chemicznej budowie aromatyczne pierścienie. Pierścienie te formowane są w oparciu o sposoby, w jakie atomy wiążą się ze sobą. Nie jest to tania sprawa "Myśleliśmy, że związki aromatyczne są odpowiednie do przetwarzania po polimeryzacji, a to oznaczałoby, że bylibyśmy zdolni do zmiany własności polimeru po jego syntezie," ujawnia Pani Walkowiak. "Myśleliśmy, że będzie taniej zmieniać własności po polimeryzacji. Nie jest to obecnie sprawa tania, ale sądzimy, że będzie można znaleźć sposób na obniżenie tych kosztów w przyszłości." Pani Walkowiak uważa, iż dwa lata prac, zaplanowane dla projektu Flupol, to był zbyt krótki czas na rozwiązywanie tak poważnego problemu, ale jest przekonana, że uzyskano solidne rezultaty oraz przedstawiono wyraźne drogi przyszłych działań. Przede wszystkim, Pani Walkowiak opracowała nową, opłacalną metodę przygotowania ważnej kategorii monomerów, zwanych fluorowanymi monomerami styrenowymi. Stanowi to dobry wynik w tym trudnym wyzwaniu. W ramach nauki o polimerach, chemicy na początku otrzymują przeważnie związek, który może być zdolny do samopolimeryzacji. Reakcja taka zwana jest homopolimeryzacją. "Jeśli to się nie udaje, to zajmujemy się dwoma monomerami, by wywołać kopolimeryzację," twierdzi Pani Walkowiak. Ale jeśli i to się nie udaje, to usiłujemy wywołać "kopolimeryzację wymuszoną przez termonomer" (lub terpolimeryzację) przy użyciu trzech monomerów. Jeden z monomerów oddziałuje wówczas w charakterze aktywnego sprzężenia do łączenia dwóch pozostałych. Polimeryzujemy wówczas aktywne sprzężenia przy pomocy pierwszego polimeru, a następnie włączamy trzeci, by uzyskać pożądane właściwości otrzymywanego materiału. Wprowadzoną przez Panią Walkowiak innowacją było znalezienie metody terpolimeryzacji w celu przygotowania fluorowanych monomerów styrenowych. Po drugie, w ramach projektu znaleziono sposób na zminimalizowanie powszechnego problemu występującego między niektórymi monomerami i styrenem, bardzo ważnym związkiem w dziedzinie opracowań polimerów. Dwa monomery, FMST i TFMST mogą wiązać się ze styrenem, lecz FMST zwalnia reakcję, czyli jej czas, podczas którego materiały te wiążą się ze sobą. Wiąże się to z dwiema kosztownymi konsekwencjami. Po pierwsze, reakcja zachodzi dłużej. Po drugie, wolniejsza reakcja daje w konsekwencji krótsze wiązania łańcuchowe, czyli połączenia między każdym z monomerów. Toteż, z uwagi na krótsze połączenia, otrzymujemy mniej materiału. W przypadku niektórych takich materiałów, dłuższy czas reakcji i mniejsza ilość produktu, wiążą się z wysokimi kosztami. Pani Walkowiak znalazła sposób na złagodzenia spowalniającego wpływu FMST, przez połączenie go z TSMST. "FMST w dalszym ciągu zwalnia reakcję, ale nie do tego stopnia," wyjaśnia Pani Walkowiak. W ostatecznym rezultacie opracowała ona nową, kontrolowaną metodę polimeryzacji materiałów polimerycznych. "Konwencjonalne, swobodne reakcje polimeryzacji rodnikowej, takie jak produkcja polistyrenu, posiadają tendencje wymykania się spod kontroli. Następstwem takiego braku kontroli jest wysoki stopień rozgałęzień. Ponadto, jeśli zakończenie reakcji następuje przypadkowo, gdy dwa łańcuchy kolidują ze sobą, to nie jest możliwe utrzymanie długości indywidualnych łańcuchów." wyjaśnia Pani Walkowiak. "Ale zastosowanie środków transferu łańcuchów, lub CTA, może umożliwić pewną kontrolę. Ważną sprawą jest zastosowanie prawidłowych środków CTA. W swojej pracy znalazłam specyficzne środki CTA wymagane do produkcji kopolimerów zawierających fluorowany styren oraz styren. Te szczególne kopolimery nie były nigdy przedtem otrzymywane syntetycznie. Jest to więc coś nowego. Kopolimery te wykazują naprawdę interesujące właściwości, o których nie możemy obecnie rozmawiać. Badania nad opracowaniem tych materiałów są obecnie kontynuowane, a wyniki są obiecujące. Być może otrzymamy bardzo interesujące właściwości dotyczące stabilności uzyskanego materiału," potwierdza Pani Walkowiak. Ale wyjaśnia ona także, iż istotnym krokiem jest wprowadzenie fluorowanych elementów do kopolimerów. Ogólnie rzecz biorąc, uzyskano imponujące zestawienie rezultatów, które przyczynią się w sposób istotny do naszego zrozumienia fluorowanych polimerów aromatycznych oraz ich potencjalnego zastosowania w technologii ogniw paliwowych, a poza tym można się spodziewać innych, nieoczekiwanych korzyści, jak to się często zdarza w tej dziedzinie nauki. Projekt Flupol otrzymał dofinansowanie na badania z konta programu Marie Curie w ramach Siódmego Programu Ramowego UE.