Studentská vědecká konference

Vysokoteplotní SOC (solid oxide cell) reaktory umožňují provoz v režimech elektrolytického i palivového článku při stejném složení elektrod. V symetrickém uspořádání SOC reaktoru dochází ke generování kyslíku v anodickém prostoru (oxygen evolution reaction – OER) a souběžné jeho spotřebovávání na katodě (oxygen reduction reaction – ORR). V této práci byla testována symetrická cela fungující jako kyslíková pumpa za účelem stanovení kinetických parametrů reakcí na kyslíkové elektrodě. Na lisovaný YSZ (yttriem dopovaný oxid zirkoničitý) elektrolyt byla z obou stran sítotiskem nanesena elektroda ze směsi LSM (manganitan lanthanito strontnatý) a YSZ. Připravená cela byla testována v tříelektrodovém zapojení metodami elektrochemické impedanční spektroskopie a cyklické voltametrie při teplotách 700 a 800 °C a při různých koncentracích kyslíku na straně pracovní elektrody. Z naměřených dat je patrné, že zvýšení teploty vede k dramatickému snížení polarizačních odporů pro ORR a OER a rovněž ohmického odporu cely. Vliv koncentrace kyslíku na straně pracovní elektrody je patrný pouze při jeho odčerpávání z prostoru pracovní elektrody, což odpovídá jeho redukci (ORR). Získaná data pomůžou při návrhu a optimalizaci regenerativního palivového článku.

Čištění odpadních vod je důležitým průmyslovým procesem pro ochranu životního prostředí, nepřímo ovlivňujícím i kvalitu pitné vody. Jedněmi z nejproblematičtějších persistentních polutantů jsou toxické látky na bázi fenolu. Klasický biologický způsob čištění odpadních vod nemůže být v případě fenolových sloučenin použit. Alternativou je elektrochemická oxidace sloučenin fenolu na borem dopované diamantové elektrodě(BDD). BDD je elektrodový materiál s vynikajícími mechanickými a elektrochemickými vlastnostmi pro oxidaci širokého spektra organických látek. Jako modelovou látku jsem zvolil kresol. V rámci výzkumu jsem studoval průběh elektrochemické oxidace kresolu na BDD elektrodě. Provedl jsem voltametrické studie a vsádkovou elektrolýzu s elektrolytem obsahujícím kresol. Jako základní elektrolyt jsem použil roztok kyseliny sírové a roztok síranu sodného. Zjistil jsem, že k oxidaci kresolu v neutrálním prostředí téměř nedochází. V kyselém prostředí je kresol oxidován při potenciálech nižších než u vývoje kyslíku. Na základě toho jsem vsádkovou elektrolýzou určil rychlost elektrochemické oxidace kresolu na BDD. Prokázal jsem, že kresol je možné elektrochemickou předúpravou rozštěpit na jednodušší látky snadněji odstranitelné biologickým čištěním.

Technologie palivových článků typu PEM představuje vhodný zdroj elektrické energie pro řadu aplikací. Klíčovou součástí je tzv. MEA, skládající se z katody, anody a membrány. V současné době existuje několik různých postupů pro přípravu MEA. Jako potenciálně vhodná se ukazuje příprava metodou hot-press, kdy elektrody i membrána jsou slisovány za zvýšené teploty. Tímto postupem lze zlepšit využití katalyzátoru, které se projeví zvýšením výkonu. V procesu přípravy je nutné optimalizovat nejrůznější parametry. Velikost tlaku použitého pro lisování se odvíjí od mechanických vlastností elektrod, aby nedošlo k zborcení jejich struktury a aby se tak nestaly nepropustnými pro reaktanty a reakční produkty. Hodnota aplikované teploty závisí na vlastnostech ionomerů, použitých pro výrobu membrány, a pojiva katalytické vrstvy. Cílem práce je optimalizace teploty a tlaku použitých při přípravě MEA metodou hot-press.  

Spotřeba neobnovitelných zdrojů energie je součástí našeho každodenního života. Snahou vyspělého světa je najít a zavést nové obnovitelné zdroje energie, které by mohly vést ke snížení zátěže pro životní prostředí. Pro zvýšení účinnosti těchto zdrojů je vhodné využít vodík jako nosič energie. Vodík může být za tímto účelem získán např. alkalickou elektrolýzou vody.  Alkalická elektrolýza je jednou z metod výroby vodíku, stejně jako například PEM elektrolýza. Zatímco PEM elektrolýza dosahuje vysoké intenzity produkce, cena ušlechtilých kovů (Pt) využívané jako katalyzátory brání jejímu rozšíření. U alkalické elektrolýzy se využívají niklové katalyzátory, které mají vysokou aktivitu pro vývoj H₂. Ta ovšem s časem klesá. K poklesu aktivity vývoje vodíku na niklové elektrodě může dojít již v řádu jednotek hodin. Tento pokles je způsoben tvorbou hydridové vrstvy na elektrodě. Tomu může být zabráněno povrchovou modifikací Ni, která by umožnila rychlejší desorpci H₂. V rámci této práce byly na niklovém podkladu elektrochemicky připraveny vrstvy redukovaného grafen oxidu. Připravené vrstvy byly následně testovány pomocí metod cyklické voltametrie, lineární voltametrie a elektrochemické impedanční spektroskopie za účelem ověření jejich vlivu na zachování vysoké aktivity Ni pro vývoj H₂.

Distributory toku a přilehlá plynově difuzní vrstva (GDL) představují důležité součásti konstrukce palivových článků typu PEM. Jejich optimální geometrie zajišťuje rovnoměrnou distribuci plynů v aktivní ploše cely a zásadně tak ovlivňuje výkon a životnost palivových článků. Tato práce se zabývá studiem vlivu geometrie distributorů a hydrodynamických vlastností GDL na rovnoměrnost proudění plynů v palivových článcích typu PEM, a to jak pomocí matematického modelování, tak i experimentálně. Byl vyvinut trojrozměrný stacionární CFD model umožňující matematickou simulaci proudění v daném systému. Tento model byl ověřen experimentálně pro případ distributoru s jedením kanálkem o průřezu (1×1 mm²) ve tvaru jednoduché serpentýny s přilehlou s přilehlou GDL o rozměrech 1×10 cm². Byla provedena parametrická studie vlivu hydraulické permeability GDL na rovnoměrnost proudění plynu ve výše popsaném rozvodném kanálku. Dále pak s pomocí matematického modelu byl analyzován vliv nerovnoměrné komprese GDL a její vtlačení do kanálku například v důsledku stlačení cely palivového článku. To vedlo na nutnost uvažovat anisotropii GDL v navrženém modelu. Výsledkem této práce je ověřený matematický model usnadňující zvýšení výkonu, optimalizaci a komercializaci palivových článků typu PEM.  

Více než 90 % vodíku, označovaného jako palivo budoucnosti, je v dnešní době ve skutečnosti získáváno z fosilních zdrojů. V současné době však, s ohledem na rostoucí zastoupení obnovitelných zdrojů elektrické energie, dochází k rozšiřování zastoupení další technologie – elektrolýzy vody. Z dostupných variant této technologie nachází největší uplatnění alkalická elektrolýza vody a elektrolýza vody s kation selektivní polymerní membránou. Výhoda alkalického procesu spočívá v možnosti využití levných a snadno dostupných katalyzátorů, které nejsou založeny na platinových kovech, jako je tomu u konkurenční membránové technologie. V praxi zavedeným materiálem elektrod v průmyslové alkalické elektrolýze vody je nikl. U tohoto materiálu však s časem dochází k poklesu aktivity. Tomuto lze zabránit nanesením tenké vrstvy redukovaného grafen oxidu. Cílem této práce je elektrochemická příprava a charakterizace grafen oxidu. Následně provést stanovení optimálního způsobu elektroforetického nanesení vrstvy redukovaného grafen oxidu na Ni podklad tak, aby bylo dosaženo maximální účinnosti redukovaného grafen oxidu pro zajištění dlouhodobé stability Ni.