Polibenzimidazol w przemyśle lotniczym, czyli nowe wykorzystanie tworzywa sztucznego

Na bazie stabilnego temperaturowo tworzywa sztucznego o nazwie polibenzymidazol powstała specjalna membrana do ogniw paliwowych. Dzięki temu osiągnięciu systemy ogniw paliwowych wymagają o jedną trzecią mniej komponentów. Choć to wszystko dość zawiłe, to rozwiązanie okazuje się być ważnym krokiem w rozwoju przemysłu lotniczego.

Polibenzimidazol jest termoplastem o najlepszym obecnie zestawie właściwości. Dzięki swoim unikalnym cechom może znaleźć zastosowanie w sytuacjach, w których zawodzą już pozostałe tworzywa. Cechy tego materiału to wyjątkowo wysoka maksymalna dopuszczalna temperatura pracy w powietrzu: 310 st. C dla pracy ciągłej oraz 500 st. C dla pracy krótkotrwałej, zachowanie wytrzymałości mechanicznej oraz sztywności w szerokim zakresie temperatur, doskonała odporność na ścieranie oraz niski współczynnik tarcia, wyjątkowo niski współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej, a także doskonała odporność na promieniowanie wysokoenergetyczne (promieniowanie X oraz gamma). Tworzywo wyróżnia także niska palność, wysoka czystość - dotyczy wtrąceń jonowych oraz niskie straty masy w próżni - materiał suchy.

Naukowcy z Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki oraz firmy Lange Aviation stworzyli właśnie nowy typ motoszybowca o nazwie Antares DLR-H2. Nie byłoby w tym nic nadzwyczajnego, gdyby nie fakt, że maszyna podrywa się z pasa startowego niemal bezgłośnie. Nie wydziela także zapachu spalanego paliwa. Antares to pierwszy załogowy samolot napędzany wyłącznie wodorem. System ogniw paliwowych potrzebnych do jego napędu mieści się w zbiornikach pod skrzydłami. Tu wytwarzany jest prąd zasilający elektronikę pokładową i silniki elektryczne. Sercem całej instalacji jest opracowany przez BASF Fuel Cell (BFC) zespół membrana-elektroda. W MEA energia chemiczna powstająca podczas reakcji tlenu z wodorem przekształcana jest bezpośrednio w elektryczność i ciepło.

Antares DLR-H2 został zbudowany z myślą o testowaniu potencjału ogniwa paliwowego w lotach powietrznych. BASF uczestniczy w tym pilotażowym projekcie, gdyż wspiera innowacyjną technologię energetyczną, która wkrótce będzie obecna nie tylko w samolotach. Ogniwo paliwowe w czasach kurczących się rezerw energetycznych może przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa dostaw, bowiem wodór można pozyskiwać z wielu źródeł: z energii wiatrowej czy słonecznej, z gazu ziemnego i ropy naftowej. Poza tym jest ona dużo wydajniejsza niż tradycyjne technologie energetyczne, a jej jedynym produktem spalania jest para wodna.

Aktualnie badacze stoją przed wyzwaniem minimalizacji rozmiarów i redukcji ciężaru systemów ogniw paliwowych na potrzeby ich praktycznego zastosowania. Decydujące jest to, aby system składał się z jak najmniejszej liczby komponentów. I tu pojawia się konieczność korzystania z innowacyjnych tworzyw sztucznych.

Tradycyjne niskotemperaturowe systemy ogniw paliwowych pracują przy maksymalnie 80 st. C. Wymagają wielu agregatów pomocniczych i wyrafinowanego sterowania, aby funkcjonować w samolocie zarówno na ziemi, jak i na dużych wysokościach. Opracowany przez BASF zespół MEA daje twórcom systemu nowe możliwości: w jego skład wchodzi pierwsza na świecie dostępna komercyjnie membrana do ogniw paliowych, pozwalająca na temperatury dochodzące do 180 st. C. Innowacyjne systemy są dystrybuowane pod marką Celtec. Ogniwa paliwowe wyposażone w ten materiał mogą być chłodzone powietrzem atmosferycznym i nie wymagają nawilżania wodą. Dzięki temu niepotrzebne są już nawilżacze powietrza, pompy wodne, zbiorniki, zawory i systemy czyszczenia.

Na pierwszy rzut oka trudno docenić szczególną efektywność membrany Celtec. Jest to płaski prostokąt mniej więcej wielkości dłoni wygląda jak zwykła folia z tworzywa sztucznego.

Jednak badaczom z BASF udało się opracować membranę na bazie stabilnego temperaturowo polimeru o nazwie polibenzymidazol. Temu tworzywu sztucznemu, membrana BFC zawdzięcza swoją nadzwyczajną żaroodporność. Wysoka temperatura eksploatacyjna zapobiega także osadzaniu się zanieczyszczeń wodoru na pokrytej platyną elektrodzie (anodzie). Platyna wywołuje w MEA reakcję elektrochemiczną w charakterze katalizatora. Zanieczyszczenia zablokowałyby jej katalityczne działanie. Ponieważ wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe lepiej tolerują zanieczyszczenia w wodorze niż systemy niskotemperaturowe, proces przygotowania wodoru jest ułatwiony, a system ogniw paliwowych jeszcze stabilniejszy, prostszy i tańszy w produkcji.

W sumie systemy ogniw paliwowych dzięki membranie Celtec wymagają o jedną trzecią mniej komponentów. To obniża koszty o nawet 40 proc. Dzięki wynalezieniu membrany wysokotemperaturowej ogniwo paliwowe wreszcie stało się możliwe do sprzedaży komercyjnej.

Aby ogniwo paliwowe mogło wygenerować wystarczającą ilość prądu do praktycznych zastosowań, takich jak napęd motoszybowca Antares, łączy się kilka ogniw w stos (tzw. stack). W jednym ogniwie można bowiem wygenerować jedynie napięcie rzędu 600 do 700 miliwoltów. Duńska firma Serenergy opracowała specjalnie dla Antaresa wyjątkowo lekki i chłodzony powietrzem system stack, składający się z kilkuset ogniw z zespołami Celtec. Podłączone są do niego MEA – każda w „gorsecie” przewodzących elektrycznie płyt grafitowych. Płytki łączą ze sobą poszczególne ogniwa, przekazują dalej prąd i kanałami przewodzącymi zaopatrują MEA w wodór i tlen. Tak zjednoczonymi siłami udaje się ogniwu unieść samolot w przestworza.

Po lotach testowych Antaresa naukowcy chcą wbudować nowe ogniwo paliwowe do Airbusa A320. Będzie tam udoskonalane pod kątem zastosowania w wielkich samolotach do efektywniejszego zaopatrzenia pokładu w energię. W 2010 roku seria testów Centrum Lotnictwa w Antaresie ma być skończona i ogniwo po raz pierwszy ma wznieść do nieba maszynę A320 ATRA.