Vandenilio energetikos iššūkiai pasaulio ir Lietuvos fizikams

XVII a. prasidėjusios mokslinės-techninės revoliucijos esmė ir priežastis buvo ta, kad žmonijai nepakako vien tik tuomet prieinamų atsinaujinančių energijos šaltinių ir buvo imta naudoti per milijonus metų Žemėje sukauptą energiją (anglį, naftą, gamtines dujas ir kt.). Neišvengiamai tai veda į šių išteklių stoką ir ekologinę katastrofą dar jiems net neišsekus.

Ekologinės katastrofos žmonija išvengs tik tuo atveju, jei sugebės įvykdyti antrąją mokslinę-techninę revoliuciją, sukurdama tokias technologijas ir medžiagas, kurios leistų taip efektyviai panaudoti atsinaujinančius energijos šaltinius, kad užtikrintų ne tik esamą pramonės lygį, bet ir spartų jos augimą.

Šiandieniniame pasaulyje vandenilio energetika gali būti vienu iš efektyviausių kelių išspręsti susidariusias globalines energetikos ir aplinkosaugos problemas. Yra nustatyta, kad globalinio atšilimo efektas yra susijęs su padidėjusia išmetamųjų dujų emisija (anglies junginiai, pvz.: CO₂) (1 pav.) (nors šiai nuomonei kai kurie skeptikai nepritaria, bet tai kol kas oficiali akademinės visuomenės pozicija).

Praeitame šimtmetyje globalinė paviršiaus temperatūra kilo 0,6 ºC/amžiui greičiu. Ši tendencija per pastaruosius 25 metus dramatiškai didėjo. Remiantis trimis, gerai žinomais atmosferinių reiškinių tyrimo centrais: Princeton (JAV), Hamburg (Vokietija) ir IPCC (Didžioji Britanija) temperatūra per 25 metus atitinkamai kilo 2,3, 1,3 ir 1,7 ºC greičiu. Taip pat buvo nustatyta, kad Atlanto, Ramiojo ir Indijos vandenynų nuo 1995 metų iki 2007 m. temperatūra pakilo 0,06 ºC (US National Oceanic and Atmospheric Administration). JAV energetikos departamento duomenimis 2015 metais pasaulinė anglies junginių emisija išaugs 54 % nuo 1990 metų lygio ir tai sukels 1,7–4,9 º C atšilimą 1990–2100 metų laikotarpiu.

Energetikos sektoriaus problemos yra susijusios ne tik su globalinio atšilimo efektu, bet ir su padidėjusiu oro užterštumu, rūgštiniais krituliais, ozono sluoksnio pokyčiais, miškų naikinimu, radioaktyvių dalelių emisija.

Žmonių skaičius pasaulyje padidėja 1,2–2 % per metus ir manoma, kad 2050 metais pasieks 12 milijardų. Ekonominis vystymasis didėja proporcingai. Tai yra pagrindinė energijos poreikio didėjimo priežastis. Manoma, kad energijos suvartojimas iki 2050 metų turėtų išaugti 1,5–3 kartus.

Taigi naujos energijos generavimo technologijos, kurios leis išvengti dabartinių energetikos problemų taps ypatingai aktualiomis. Dabartiniu metu manoma, kad didėjantį energijos poreikį būtų galima patenkinti didinant esamų energijos konversijos sistemų efektyvumą, mažinant naftos produktų panaudojimą (daugiau naudojant hidro, vėjo ir saulės energijos generavimo technologijas) ir naudojant vandenilio energetikos technologijas.

Vandenilis laikomas potencialiu energijos nešėju, kuriam jau artimiausioje ateityje numatomas pagrindinis vaidmuo energetiniame sektoriuje, pakeičiant egzistuojančius energijos šaltinius (naftos produktus, gamtines dujas, anglį ir t. t.). Tad suprantama, kodėl fundamentaliems ir technologiniams tyrimams, su vandenilio energetika susijusiose srityse pastaruoju metu pasaulyje skiriamas didžiulis dėmesys ir lėšos. Vandenilio energetika yra labai kompleksinė mokslo ir pramonės sritis, aprėpianti vandenilio gavybos, saugojimo bei elektrocheminės konversijos problemas. Čia susipina problemos, kurių sėkmingam sprendimui turi būti integruota daug mokslo sričių – chemijos, fizikos, medžiagų, inžinerijos mokslai. Manoma, kad šios srities problemoms spręsti svarbiausias uždavinys turėtų tekti nanomokslams ir nanotechnologijoms.

1 lentelė. Kuro elementų gamintojai

Kuro elementas	Gamintojas	Šalis	Galingumas	Pritaikymas
AFC	„Alternative Fuel Systems“	Didžioji Britanija	2,5 kW	Pastatai, kariuomenė, automobiliai
	„Apollo Energy Systems“	JAV	-	Nešiojamieji prietaisai, erdvėlaiviai, stacionarios elektrinės
	„Astris Energy“	Kanada	2–10 kW	Automobiliai, nešiojamieji prietaisai
	„Regentech“	Didžioji Britanija	1–2,3 kW	Nešiojamieji prietaisai
PEMFC	„Alstom Ballard GmbH“	Vokietija		Stacionarios elektrinės
	„Ball Aerospace“	JAV	50–100 W	Nešiojamieji prietaisai
	„Ballard Power Systems“	Kanada	-	Stacionarios elektrinės ir automibiliai
	„Fuel Cell Resources Inc.“	JAV	3–7 kW	-
	GE	JAV	7kW–3MW	Stacionarios elektrinės
DMFC	„Energy Related Devices“	JAV	-	Mobilieji telefonai
	„Manhattan Scientific“	JAV	-	Mobilieji telefonai, nešiojamieji kompiuteriai
	„Near Power Systems“	JAV	0,5–40 W	Nešiojamieji prietaisai
	>„Nuvant Systems“	JAV	-	Nešiojamieji prietaisai, stacionarios elektrinės
	„Smart Fuel Cell“	Vokietija	-	Nešiojamieji kompiuteriai, vaizdo kameros
PAFC	>„Fuji Electrics“	Japonija	100 kW>	Stacionarios elektrinės
	„Logan Energy“	JAV	-	Stacionarios elektrinės
	„UTC Fuel Cells“	JAV	200 kW	Stacionarios elektrinės
MCFC	„Ansaldo“	Italija	500 kW	Stacionarios elektrinės
	„Fuel Cell Energy“	JAV	300 kW–3 MW	Stacionarios elektrinės
	„IHI“	Japonija	-	Stacionarios elektrinės
	„MTU Friedrichshafen“	Vokietija	300 kW–10 MW	Stacionarios elektrinės
SOFC	„Acumentrics“	JAV	1–250 kW	Stacionarios elektrinės, nešiojamieji prietaisai, automobiliai
	„Global Thermal Electric“	Kanada	2–10 kW	Stacionarios elektrinės
	„Siemens-Westinghouse“	Vokietija / JAV	100 kW – keli MW	Stacionarios elektrinės
	„Materials and Systems“ „Research, Inc“	JAV	-	Stacionarios elektrinės
	„Hydrovolt Energy Systems“	Kanada	3,5 –5 kW	Stacionarios elektrinės, pastatai, automobiliai

Kuro elementai (angl. fuel cells) labai patrauklūs tuo, jog leidžia cheminę energiją tiesiogiai paversti elektros energija, skirtingai nuo tradicinių elektros energijos generatorių, naudojančių tarpinę mechaninę grandį (pvz., garo turbina) tarp pradinio energijos šaltinio (pvz., cheminė (degimas) arba termobranduolinė (radioaktyvus skilimas) reakcija) ir galutinio produkto – elektros energijos. Kuro elementų efektyvumas (naudingumas) gali siekti iki 70–80 %, lyginant su 30–40 % tradicinių generatorių efektyvumu. Negana to, šiuolaikiniai kuro elementai gali veikti vandenilio (arba mažų organinių molekulių, pvz., priklausomai nuo tipo, metanolio arba metano, ar aukštesniųjų angliavandenilių) elektrokatalizinės oksidacijos bei oro deguonies redukcijos principu ir yra ekologiškai švarūs elektros energijos šaltiniai, nes reakcijos produktas yra tik vanduo. Papildomas kuro elementų privalumas yra tas, kad dėl nedidelių dydžių juos galima įdiegti bei naudoti tiesiogiai toje vietoje, kur yra vartojama jų pagaminta elektros energija (angl. on site). Tai leidžia išvengti elektros energijos transportavimo nuostolių.

Todėl kuro elementai yra labai perspektyvūs ekologiškai švarios energijos šaltinis ir jų tyrimai pastaraisiais dešimtmečiais intensyviai vystomi visame pasaulyje (tyrimų lyderiai – JAV, Japonija, Vokietija, Šveicarija, Prancūzija). Pasaulyje jau yra sukurti bandomieji kuro elementų generuojama elektra varomi automobiliai (Daimler-Crysler, General Motors, Toyota, Honda ir kt.) , autonominės elektros pastotės gyvenamiesiems namams, kogeneruojančios šiluminę energiją (Ballard, Siemens-Westinghouse) (1 lentelė). Žemos temperatūros kuro elementai pradedami taikyti nešiojamųjų elektroninių prietaisų (mobiliųjų telefonų, kompiuterių, audio-videoaparatūros) energijos šaltiniuose.

Šiuolaikiniai kuro elementai yra puikus aukštųjų technologijų (angl. hi-tech) pavyzdys, vienijantis fundamentinių mokslų ir moderniosios inžinerijos pasiekimus bei turintys aiškų praktinį pritaikymą. Taip pat pažymėtinas ir kuro elementų problematikos kompleksiškumas, jungiantis tyrimus nanomokslo, medžiagotyros, paviršiaus fizikos ir chemijos, kieto kūno chemijos, heterogeninės katalizės, elektrokatalizės, elektrochemijos, organinės, polimerų, analizinės chemijos ir kt. srityse (3 pav.).

Pagaliau, kuro elementų problematikoje glaudžiai siejasi nanopasaulio objektai (keleto nanometrų dydžio katalizatorių dalelės), užtikrinantys energijos konversijos efektyvumą, su globaliniais procesais (ekosistemų ir klimato pokyčiai) – kuro elementai yra „nulinės emisijos“ (angl. zero emission) elektros energijos šaltiniai, leidžiantys visiškai išvengti aplinkos taršos dėl kenksmingų produktų emisijos.

Atsižvelgiant į natūralių organinių energetinių išteklių (naftos bei gamtinių dujų) mažėjimą, kartu vis augant energetiniams poreikiams globaliu mastu, ir numatomą Lietuvos elektros energijos resursų sumažėjimą, uždarius Ignalinos atominę elektrinę, kuro elementai, būdami ekologiškai švariausiais autonominiais elektros energijos šaltiniais, tampa ypatingai svarbūs ir aktualūs.

Nežiūrint išvardintų kuro elementų privalumų ir tariamo paprastumo, platus (masinis) jų vartojimas iki šiol yra gana ribotas, nors pats principas buvo žinomas dar devynioliktame amžiuje (W. Grove ir J. Schönbein darbai), o dabartinių kuro elementų prototipai buvo naudojami JAV kosminėje „Apollo“ programoje.

Pastaraisiais dešimtmečiais kuro elementai yra viena iš veržliausiai besivystančių mokslinių tyrimų krypčių, ir pasiekti moksliniai bei technologiniai sprendimai jau leidžia naudoti jų prototipus įvairioms reikmėms (žr. 2 lentelę).

Pagrindinės kuro elementų rūšys

Kaip jau supratote ir pirmos straipsnio dalies, kuro elementai (angl. fuel cells) cheminę energiją tiesiogiai paverčia elektros energija. Svarbiausios šiuolaikinių kuro elementų rūšys yra: fosforo rūgšties, šarminis, lydytų karbonatų, polimerinių elektrolitų, tiesioginio metanolio, kietųjų oksidų. Jų techninės charakteristikos bei panaudojimo sritys yra išvardytos 2 lentelėje. Nežiūrint gana skirtingų parametrų, visus juos vienija tas pats universalus veikimo principas – anodinėje reakcijoje vyksta vandenilio ar organinių molekulių elektrocheminė oksidacija, generuojanti elektronus, kurie yra naudojami katodinėje reakcijoje – oro deguonies redukcijoje, pernešant elektronus (tekant elektros srovei) išorinėje grandinėje (6 pav.).

Pažymėtina, kad šios reakcijos gali vykti tik tuomet, jei yra užtikrinamas ne tik elektroninis laidumas išorinėje grandinėje, bet ir joninis laidumas tarp elektrodų. Tam tarp abiejų elektrodų yra būtinas elektrolitas, atsakingas už joninių krūvininkų pernešimą nuo vieno elektrodo iki kito (skystas – šarminiuose ir fosforo rūgšties (AFC ir PAFC), polimerinis – polimerinių elektrolitų ir tiesioginiuose metanolio (PEFC ir DMFC), lydalas – lydytų karbonatų (MCFC), kietafazis – kietųjų oksidų (SOFC) kuro elementuose).

Plataus masto kuro elementų vartojimą teberiboja jų aukšta gamybos bei eksploatacijos savikaina (pvz., PEFC ir DMFC – tauriųjų metalų naudojimas katalizatoriuose ar švaraus vandenilio gamybos kaštai ir infrastruktūra, SOFC – sudėtingų kietafazių retųjų metalų oksidinių kompozicijų, skirtų kuro elementų elektrodų ir elektrolitų sluoksniams, gamybos kaštai), bei nepakankamas efektyvumas (pvz., PEFC ir DMFC – katalizatoriaus apnuodijimas adsorbuotu CO, SOFC – mažas kietųjų oksidinių keramikų joninis laidumas ir aukštos darbinės temperatūros). Šių problemų sprendimui didžiausios pastangos yra koncentruojamos efektyvesnių katalizatorių bei naujų funkcinių medžiagų paieškai dviejose perspektyviausiose – polimerinių (PEFC ir DMFC) bei kietųjų oksidų (SOFC) elektrolitų – kuro elementų grupėse.

2 lentelė. Pagrindinės kuro elementų rūšys ir jų charakteristikos

Norint suprasti, kaip reakcija tarp vandenilio ir deguonies sukuria elektros srovę ir iš kur yra gaunami elektronai, reikia nagrinėti reakcijas, vykstančias ant kiekvieno elektrodo atskirai. Kiekvienam kuro elemento tipui jos yra skirtingos (6 pav., 2 lentelė). 

Paprasčiausias, tačiau bendriausias tipas yra kuro elementas su rūgštiniu elektrolitu. Rūgštiniame elektrolite prie anodo jonizuojasi H₂. Taip išlaisvinami elektronai ir sukuriami H⁺ jonai. Vyksta tokia reakcija: 

2H₂  -> 4H⁺ + 4e^-. 

 Prie katodo O₂ reaguoja su elektronais, gautais prie anodo ir H⁺ jonais – iš elektrolito, sudarydamas vandenį: O₂ + 4e^- + H⁺ -> 2H₂O. Norint, kad abi reakcijos vyktų nesustodamos, elektronai turi pratekėti elektros grandine link katodo, o H⁺ jonai turi pereiti elektrolitą. Rūgštis yra pilna H⁺ jonų ir šis faktas galutiniam tikslui turi didelę įtaką. Reikia pastebėti, kad elektrolitas turi labai gerai praleisti H⁺ jonus ir visiškai nepraleisti elektronų. Fosforo rūgšties kuro elementų (PAFC – phosphoric acid fuel cell) šiuo metu jau galima įsigyti. Daugiau kaip 200 KE sistemų įdiegtos visame pasaulyje, t. y. ligoninėse, slaugos namuose, viešbučiuose, pastatuose, mokyklose, elektros jėgainėse, lėktuvuose ar atliekų ir vandens valymo įrengimuose. 

PAFC naudingumo koeficientas yra 40 – 45 % ir beveik 85 %, kai pagaminti KE garai yra naudojami kogeneracijai. Šių KE darbo temperatūra yra ~200⁰C. Žemėjant temperatūroms, fosforo rūgštis pasižymi vis mažesniu joniniu laidumu ir anglies monoksidas (CO) užteršia platinos elektrokatalizatorių prie anodo. Elektrolitas yra skysta fosforo rūgštis, supilta į matricą. Vienas iš pranašumų šių kuro elementų yra tas, kad jie gali naudoti negryną vandenilio kurą. CO koncentracijos nuokrypis gali būti apie 1,5 karto. Tai išplečia kuro pasirinkimą, naudojamą KE. PAFC trūkumas: juose naudojamas brangus platinos katalizatorius. Taip pat šie elementai generuoja mažą srovę ir energiją. Iki šiol egzistuojančių fosforo rūgšties kuro elementų galingumas neviršija 200 kW. 

Šarminių kuro elementų (AFC – Alkali fuel cell) pagrindinė reakcija yra tokia pati kaip ir rūgštinių elektrolitų kuro elementų, tačiau reakcijos ant kiekvieno elektrodo skiriasi (6 pav., 3 lentelė). Elektrolite hidroksido (OH^-) jonai yra laisvi ir judrūs. Prie anodo OH^- jonai reaguoja su vandeniliu, išskirdami energiją ir elektronus bei sukurdami vandenį: 

2H₂ + 4OH^- -> 4H₂O + 4e^-.  

Prie katodo deguonis reaguoja su elektronais, praėjusiais išorine elektros grandine iš anodo ir vandeniu – iš elektrolito, suformuodamas naujus OH^- jonus: 

O₂ + 4e^-  -> 2H₂O + 4OH^-.

 Norint, kad šios reakcijos vyktų nenutrūkstamai, OH^- jonai turi laisvai praeiti pro elektrolitą ir taip pat turi būti elektros grandinė, skirta elektronams judėti iš anodo į katodą.

 Lydytų karbonatų kuro elementų (MCFC – Molten carbon fuel cell) elektrolitas yra išlydytas mišinys, sudarytas iš šarminių metalų karbonatų, dažniausiai iš dvinario mišinio, t.y. iš ličio ir kalio arba ličio ir natrio karbonatų, kurie supilami į keramikinę matricą, sudarytą iš LiAlO₂. Aukštoje darbo temperatūroje (~600–700⁰C) šarmų karbonatai tampa didelio laidumo išlydytomis druskomis, kurios yra laidžios CO₃^2- jonams. Kitaip, nei kituose KE, anglies dioksidas turi būti tiekiamas kartu su deguonimi ir čia jis jonizuojamas į karbonato jonus, kurie difunduoja nuo katodo link anodo. Pagrindinė išlydyto karbonato kuro elementų reakcija yra tokia: 

H₂ + ½ O₂ + CO₂  -> H₂O + CO₂  (6 pav., 2 lentelė). 

Protonų mainų membranos kuro elementai (PEMFC – Proton exchange membrane fuel cell)  dirba palyginti žemose apie 80⁰C temperatūrose. Šie kuro elementai yra vieni iš perspektyviausių transporto priemonėse ir daugelyje kitų sričių, kaip pavyzdžiui, pakartotinio įkrovimo baterijose. Protonų mainų membrana – tai plona, elastinga plėvelė, praleidžianti vandenilio jonus. Membrana iš abiejų pusių yra padengta labai dispersiško lydaus metalo dalelėmis (dažniausiai platinos ir platinos/rutenio), kuri yra aktyvus katalizatorius. Elektrolitui naudojamas kietakūnis organinis polimeras.

Kietakūnis elektrolitas yra pranašesnis už skystą, nes sumažina korozijos ir valdymo problemas. Vandenilis tiekiamas į anodą, kuris sulaiko vandenilio atomus, išskiria elektronus ir vandenilio jonus (protonus). Tuo pat metu, protonai difunduoja pro membraną į katodą, kur vandenilio atomai rekombinuoja ir reaguoja su deguonimi, sudarydami vandenį ir pabaigdami procesą (6 pav., 3 lentelė). Šis kuro elementų tipas yra jautrus nešvariam kurui. PEMFC galingumas dažniausiai svyruoja nuo 50 iki 250 kW. Temperatūra, reikalinga PEM kuro elementų reakcijoms vykti yra neaukšta, o tai įtakoja panaudojimo perspektyvumą. 

Tiesioginio metanolio kuro elementai (DMFC – Direct methanol fuel cell) panašūs į PEM kuro elementus, nes abiejuose naudojamas polimerų membranos elektrolitas. Reakcija prie anodo šiuose KE: 

CH₃OH + H₂O  -> 6H⁺ + 6e^- + CO₂ (6 pav., 2 lentelė). 

 H⁺ jonai skverbiasi per elektrolitą, o elektronai juda išorine elektros grandine. Reikia pastebėti, kad katodinės reakcijos metu susidaro daugiau vandens molekulių, nei jų sunaudojama anodinės reakcijos metu: 

1 ½ O₂ + 6H⁺ + 6e^-  -> 3H₂O.  

Iš pastarosios reakcijos matome, kad viena metanolio molekulė sukuria 6 elektronus. Tačiau pastaroji reakcija nevyksta paprastai, t. y., dažniausiai keliais etapais ir skirtingais keliais. Be to, vieno iš kelių metu gali susidaryti anglies monoksidas, kuris gali reaguoti tiek su katalizatoriumi, tiek ir su elektrolitu ir tai trumpina kuro elementų išdirbio laiką.

Kietakūnio oksido kuro elementai (SOFC – solid oxide fuel cell) - tai prietaisai, kuriuose elektrolitas yra oksido joninio laidumo keramikos medžiaga. Šie kuro elementai yra paprastesni už jau minėtas sistemas, nes naudojamos tik dvi fazės, t. y. dujos ir kietoji fazė. Kietakūnio oksido kuro elementai yra panašūs į išlydyto karbonato kuro elementus, kuriuose neigiamo krūvio jonas (O^2-) difunduoja nuo katodo per elektrolitą, link anodo (6 pav., 3 lentelė). Tuo būdu vanduo yra gaunamas prie anodo. 

Kietųjų oksidų elektrolitų kuro elementai (SOFC – Solid Oxide Fuell Cells), kaip ir kitų tipų kuro elementai, cheminės reakcijos energiją tiesiogiai paverčia elektros energija, kuri gali būti akumuliuojama arba tiesiogiai vartojama. SOFC naudojami kietieji deguonies jonų laidininkai, dar vadinami oksido jonų elektrolitai arba superjonikai (SJ). SOFC yra priskiriami prie perspektyviausių alternatyviųjų elektros energijos šaltinių stacionariam naudojimui, nes kogeneruoja šiluminę energiją (kurią galima panaudoti apšildymui), nėra jautrūs apnuodijimui CO (CO oksiduojasi aukštoje elemento darbo temperatūroje ~1000 K), nereikalauja ypatingo švarumo vandenilio (SOFC vyksta savaiminis angliavandenių dehidrinimas, angl. internal reforming). Todėl darbai, skirti daugiafunkcinių medžiagų, tinkančių SOFC gamybai, paieškai bei tyrimams, yra vykdomi daugelyje firmų ir mokslinių centrų (pvz., Juliche, Riso, Sulzar, Siemens, Prancūzijos Renault Technocentre ir daug kitų) bei aukštųjų mokyklų laboratorijose, jiems skiriamos milžiniškos lėšos.

 SOFC aktyvieji elementai (elektrolitai) ir šiuo metu dažniausiai gaminami iš ZrO₂ – (3–8) mol% Y₂O₃ keramikų (YSZ – Y stabilizated zirconia), kadangi jos pasižymi geru terminiu ir cheminiu stabilumu, nemažu laidumu oksido jonams ir mechaniniu tvirtumu aukštoje temperatūroje. Pastaruoju metu vykdomi intensyvūs tyrimai, ieškant naujų efektyvesnių medžiagų, kurios turėtų dar didesnį laidumą oksido jonams. Šių paieškų pasekoje jau susintezuota daug naujų medžiagų, pvz., Ce_0,8Sm_0,2O_1,9, Ce_0,8Gd_0,2O_1,9, Bi₂Co_0,1V_0,9O_5,35 (BICOVOX) bei Bi₂Cu_0,1V_0,9O_5,35 (BICUVOX), įvairiai legiruotos lantano galato keramikos, kurias bandoma diegti kuro elementuose. Vis dėlto šiems tikslams kol kas svarbiausia lieka YSZ keramika, kuri toliau bandoma pagerinti keičiant jos mikrostruktūrą arba legiruojantį elementą. Pvz., legiruojant ZrO₂ – 8 mol%Y₂O₃ keramikas 5 mol%(Sc, Pr, Mn, Fe, Co), keičiasi joninio laidumo vertės, kinta jų aktyvacijos energijos. 

Svarbią reikšmę turi superjoninių keramikų gamybos technologinių metodų ir sąlygų tyrimas bei parinkimas. Keramikų elektrinės, cheminės bei mechaninės savybės priklauso nuo daugybės technologinių faktorių, kaip, beje, ir nuo išeities medžiagų, iš kurių gaminamos keramikos. Aukščiausia keramikų gamybos technologinė klasė pasiekiama tada, kai pasiseka gauti keramikas, kurių nanostruktūra atitinka taip vadinamas Ziegel-Model (vokiškai) arba brick-layer model (angliškai) struktūrą. 

Tokios superjoninės keramikos yra labai aktualios kuriant SOFC. Tokių keramikų gamybai turi būti taikomos nanokristalitinės išeities medžiagos. Priklausomai nuo išeities medžiagų grūdėtumo kinta superjoninių keramikų kristalitiniai ir tarpkristalitiniai joniniai laidumai, jų aktyvacijos energijos, keramikų kietumas, porėtumas ir kt. Didelę reikšmę SOFC funkcionalumui turi ir katodo bei anodo medžiagų parinkimas, jų mikrostruktūra, elektrinės savybės bei cheminis, terminis ir mechaninis suderinamumas su elektrolitu aukštoje darbo temperatūroje, todėl elektrodų medžiagų parinkimui skiriamas didelis dėmesys. 

Kaip SOFC katodinės medžiagos šiuo metu plačiai tiriami perovskitiniai mišraus joninio-elektroninio laidumo oksidai, pvz., La-Sr-Mn-O (LSM), La-Sr-Co-O (LSC) ir kt. Anodams dažniausiai naudojami Ni-YSZ kompozitai (angl. Ni-YSZ cermet), Ni bei Pt. Šiuo metu kaip anodinės medžiagos plačiai tiriami Ni kompozitai su samariu ar gadoliniu legiruotu cerio oksidu, taip pat perovskitinės struktūros mišrūs elektroniniai-joniniai laidininkai. 

Per paskutinius kelerius metus paskelbta nemažai darbų, tirtų naujos kartos plonasluoksnių SOFC problematikos analizei. Plonasluoksniai kuro elementai perspektyvūs tuo, kad leidžia sumažinti įrangos tūrį ir darbinę temperatūrą. Tokių elementų architektūrai suformuoti naudojami įvairūs plonųjų sluoksnių nusodinimo metodai: MOCVD, aerozolių pirolizės (angl. aerosol-pyrolysis, spray-pyrolysis), magnetroninio dulkinimo ir kt. Paprastai plonieji sluoksniai turi būti suformuoti ant kieto ir tvirto pagrindo, kuris savo ruožtu turi būti porėtas. Idealiausiai būtų, jeigu šis pagrindas atstotų vieną iš elektrodų, pvz. anodą. 

Plonasluoksnių SOFC formavimo technologinės problemos yra dar sudėtingesnės, negu storų elementų. Čia reikia suformuoti visiškai tankų ploną elektrolito sluoksnį, neturintį porų ar kitokių defektų, galinčių būti deguonies dujų tiesioginio prasiskverbimo priežastimi, tam tikro porėtumo katodinį sluoksnį, turintį tiek joninį, tiek elektroninį laidumą, užtikrinti reikalingas sluoksnių sandūrų elektrines savybes. Dėl elemento komponentų sluoksnių plonumo dar aštriau iškyla jų cheminio bei mechaninio stabilumo ir tarpusavio suderinamumo aukštoje temperatūroje problema. Todėl labai svarbu tinkamai parinkti komponentų medžiagas, sluoksnių gaminimo technologijas bei technologines sąlygas. 

Kad būtų lengviau įsivaizduoti bendrą kuro elementų veikimą bei jų panaudojimą, galite peržiūrėti šią vaizdinę medžiagą (tiesa, anglų kalba)

Vandenilio saugojimas ir transportavimas 

Stebint pasaulio mokslinių institucijų ir pramonės įmonių aktyvumą vandenilio saugojimo srityje yra akivaizdu, kad vandenilis tapo potencialiu energijos nešėju, kuris jau artimiausioje ateityje gali pakeisti egzistuojančius energijos šaltinius (naftos produktus, gamtines dujas, anglį ir t. t.). Viena iš pagrindinių problemų, norint saugiai panaudoti vandenilį, išlieka jo saugojimas. 

Dabartiniu metu vandenilio saugojimą bandoma realizuoti, naudojant vandenilį, suspaudžiant slėgiminiuose induose, suskystinant žemose temperatūrose, panaudojant metalų ir jų lydinių hidridus ir anglies nanostruktūras. Naudojant slėgiminius indus ir vandenilio suskystinimą žemose temperatūrose sunaudojama labai daug energijos (iki 30% nuo kuro elemento pagaminamos energijos). Šie metodai taip pat turi problemų, susijusių su saugumo standartizavimu. 

Vieni iš perspektyviausių ir saugiausių metodų – vandenilio saugojimas anglies nanosturktūrose, metalų ir jų lydinių hidridai. Analizuojant literatūros duomenis apie anglies nanostruktūrų tyrimus susiduriama su rezultatų atsikartojamumo problema skirtingose laboratorijose. Tiriant tas pačias anglies nanostruktūras, saugomas vandenilio kiekis svyruoja nuo 20 iki 1 masės procentų. Vienas iš perspektyviausių metodų saugoti ir transportuoti vandenilį – metalų hidridai. Vandenilio tankis metalų hidriduose yra labai didelis (žr. 3 lentelę).

3 lentelė. Vandenilio saugojimo aplinkos ryšys su jo tūriniu ir svoriniu tankiu.

Aplinka	Tūrinis tankis, 1022atomas/cm3	Tankis, wt %
H2 dujos, 10 MPa	0,5	100
H2 skystis, 20 K	4,2	100
LiH	5,9	12,6
PdH0.6	4,3	0,6
MgH2	6,7	7,6
TiH2	9,2	4,0
VH2	11,4	3,8
FeTiH2	6,0	1,9
LaNi5H7	7,6	1,6
Mg2NiH4	5,9	3,6
LiAlH4	5,7	10,6

Hidridai klasifikuojami pagal galimus vandenilio ryšius su metalu, t. y., metaliniai, joniniai, kovalentiniai ir „kompleksiniai“. Per paskutinius 25 metus buvo sukurti šimtai metalinių hidridų su vandeniliu gardelės tarpmazgiuose, sudarantys intermetalinius junginius ir kietuosius tirpalus, kurie gali būti prisodrinti vandeniliu, o po to iš jų vandenilis desorbuotas kambario temperatūroje prie artimo atmosferiniui vandenilio slėgiui. Deja, šie hidridai akumuliuoja ne daugiau dviejų svorio procentų vandenilio nuo bendro hidrido svorio, ko nepakanka daugumai praktinių taikymų transporto priemonėms.

Kitas kraštutinumas – tai kovalentiniai ir joniniai hidridai (pavyzdžiui, MgH₂ ir LiH), kurie akumuliuoja 7–12 svorio procentų vandenilio, tačiau vandenilio desorbcijos (vandenilio išlaisvinimo) temperatūra yra per aukšta – daugiau 300 laipsnių pagal Celsijų. Ji žymiai viršija kuro elementų darbinę temperatūrą, kuri yra apie 80^oC. Laimei, galimas kelias iš šios dešimtmetį trunkančios termodinaminės dilemos neseniai buvo rastas, tiriant katalizuotus kompleksinius hidridus, sudarytus iš joninių-kovalentinių ryšių. Taigi pagrindiniai uždaviniai, kuriuos reikia išspręsti, norint metalų ir jų lydinių hidridus panaudoti kaip vandenilio saugojimo terpę, išlieka.

Minėtas problemas aktyviai sprendžia viso pasaulio mokslininkai – tame tarpe ir Lietuvos. Plataus masto kuro elementų vartojimą riboja jų aukšta gamybos bei eksploatacijos savikaina, nepakankamas efektyvumas, todėl ieškoma efektyvesnių katalizatorių bei naujų funkcinių medžiagų dviejose perspektyviausiose – polimerinių (PEFC ir DMFC) bei kietųjų oksidų (SOFC) elektrolitų – kuro elementų grupėse.

Vandenilio energetikos tematikoje aktyviai dirba Lietuvos energetikos instituto (prof. habil. dr. Jurgis Vilemas, V.m.d. dr. Darius Milčius), Kauno technologijos universiteto (prof. habil. dr. Julius Dudonis, prof. dr. Giedrius Laukaitis), Vilniaus universiteto (prof. habil. dr. Antanas Feliksas Oriukas, doc. dr. Algimantas Kežionis), Vytauto Didžiojo universiteto (prof. habil. dr. Liudvikas Pranevičius, doc. dr. Liudas Pranevičius) mokslininkai. Šie mokslininkai dirba pagrindinėse vandenilio energetikos srityse ir sprendžia konkrečias problemas, kurios susiję su vandenilio kietakūnio kuro elemento elektrolitais, vandenilio gavimu, panaudojant nanokristalines membranas, vandenilio saugojimu, naudojant nanokristalinius metalų ir jų lydinių hidridus bei visuomenės mokymu ir švietimu apie vandenilio energetiką. Taip pat sukauptos žinios perduodamos jaunajai kartai - pavyzdžiui, dalis išvardintų mokslininkų dėsto Kauno technologijos universiteto Fundamentaliųjų mokslų fakulteto studijų programoje „Taikomoji fizika“.

Ieškome efektyvių būdų bei technologijų suformuoti elektrolitinius sluoksnius (taikomus kietakūnio oksido kuro elementuose-SOFC) pasižyminčius dideliu joniniu laidžiu. Mūsų tikslas – pritaikyti fizikines technologijas tokių komponentų gamybai.

Pagrindinė sprendžiama problema – suformuoti tankų ploną (1–3 μm storio) elektrolito sluoksnį, neturintį porų ar kitokių defektų, galinčių būti deguonies dujų tiesioginio prasiskverbimo priežastimi, tam tikro porėtumo katodinį sluoksnį, turintį tiek joninį, tiek elektroninį laidumą, užtikrinti reikalingas sluoksnių (anodas-elektrolitas bei katodas – elektrolitas) sandūrų elektrines savybes. Dėl elemento komponentų sluoksnių plonumo dar aštriau iškyla jų cheminio bei mechaninio stabilumo ir tarpusavio suderinamumo aukštoje temperatūroje problema. Labai svarbu tinkamai parinkti komponentų medžiagas, sluoksnių gaminimo technologijas bei technologines sąlygas. Tankių bei plonų elektrolitų formavimas ant porėto anodo ar katodo, SOFC komponentų ploninimas leistų sumažinti gardelės darbo temperatūrą, o tai mažintų visos kuro gardelės kainą.

Taip pat tiriame galimybę panaudoti katalitinius nanodarinius kietuose kuro elementuose. Tai pagreitintų jonizacijos procesą, katalitines dangas užnešant prieš elektrolitą. Tam gali būti naudojamos nanotechnologijos, nanokatalizatoriai, kurie suaktyvintų procesą ir pagerintų kuro gardelių savybes. Kuriamos ir tiriamos naujos daugiafunkcinės medžiagos ir jų gavimo technologijos, kurios padidintų cheminės energijos konversijos į elektrinę efektyvumą, sumažintų kieto oksido kuro elemento darbinę temperatūrą.

Atlikta Europos Sąjungos ir Lietuvos strateginių dokumentų analizė leidžia daryti išvadą, jog moksliniai tyrimai vandenilio energetikos srityje gali ženkliai prisidėti prie Europos Sąjungos ir Lietuvos viešosios politikos tikslų įgyvendinimo.

Europos Sąjungos 7BP programoje „Bendradarbiavimas“ yra pažymėta tyrimų sritis „Energetika“. Šios srities strateginis tikslas: iškastiniu organiniu kuru pagrįstą energetinę sistemą pakeisti tvaresne, paremta diversifikuotais, atsinaujinančiais, nedarančiais žalos aplinkai energetiniais ištekliais; skatinti efektyvų energijos vartojimą ir taupymą; atkreipti dėmesį į aktualias klimato pasikeitimo problemas, tuo pat metu didinant Europos pramonės konkurencingumą. Šioje tyrimų srityje yra atskirai išskirta veikla: Vandenilis ir kuro elementai: integruota veikla, siekiant konkurencingai ES kuro elementų ir vandenilio pramonei suteikti tvirtą technologinį pamatą taikyti stacionariose ir portatyviose aplinkose ir transportui. Teminės srities „Energetika“ biudžetas – 2 350 milijonai eurų.

2006 m. vasario mėnesio 13 d. Lietuvoje buvo įsteigta „Vandenilio energetikos asociacija“. Asociacijos steigėjai: Lietuvos energetikos institutas (LEI), Kauno Technologijos universitetas (KTU), Vytauto Didžiojo universitetas (VDU), Vilniaus universitetas (VU). Vandenilio asociacija – tai pagrindas, kurio tikslas yra proveržis kuro elementų gamyboje, vandenilio saugojime hidridų pagrindu, ir visuomenės švietimo srityje. 2006 metų birželio 12 dieną dvylikos mokslinių tyrimų institucijų bei pramonės įmonių atstovai pasirašė jungtinės veiklos (partnerystės) sutartį, kuria įkūrė Lietuvos Vandenilio ir Kuro Elementų Technologijų Platformą. Pastaroji turėtų tapti pagrindiniu įrankiu, skirtu nacionaliniu lygmeniu koordinuoti ir skatinti vandenilio ekonomikos vystymąsi.

2008 m. Vandenilio asociacijos partnerių inicijuotas projektas „Daugiafunkcinių medžiagų heterostruktūrų vandenilio kuro elementams sintezė“ (vadovas prof. habil dr. Dudonis, KTU Fizikos katedra) gavo trijų metų (2008-2010 m.) Lietuvos Valstybinio mokslo ir studijų fondo paramą tyrimams vandenilio energetikos srityje. Asociacijos nariai palaiko ryšius su užsienio tyrimų centrais (Sandia National Laboratories – JAV, Riso loboratorija – Danija, Oslo universitetas – Norvegija, Poitiers universitetas – Prancūzija ir Stokholmo universitetas – Švedija). Taip pat KTU yra finansuojamas Fizikos katedros inicijuotas projektas (2007–2008 m.) „Fizikinės technologijos naujos kartos vandenilio kuro elementų gamybai“, kurio vadovas yra prof. habil dr. Dudonis (KTU Fizikos katedra).

Daugiau apie „Taikomosios fizikos“ srities tyrimus Lietuvoje ir pasaulyje galite sužinoti Kauno technologijos universiteto Fundamentaliųjų mokslų fakulteto tinklaraštyje fmf.lt.

Parengė:

• prof. habil. dr. Julius Dudonis, Fizikos katedra, Fundamentaliųjų mokslų fakultetas, Kauno technologijos universitetas;
• prof. dr. Giedrius Laukaitis, Fizikos katedra, Fundamentaliųjų mokslų fakultetas, Kauno technologijos universitetas;
• dr. Darius Milčius, Vandenilio energetikos technologijų centro vadovas, Lietuvos energetikos institutas.