cíle a výstupy
Výzkumný program C2 – Pokrocilé technologie na bázi polymerních materiálu
Zahájení: 3. ctvrtletí 2011
Vedoucí výzkumného programu: prof. Ing. František Maršík, DrSc.
Cíle programu (vcetne výstupu, výsledku, milníku a specifikace skupin uživatelu):
Hlavní cíle výzkumného programu:
Príprava nanokompozitních polymerních hydrogelu s unikátními vlastnostmi, studium jejich struktury a vlastností, zejména deformacních a pevnostních.
Vyhodnocení fyzikálních vlastností polymerních membrán, materiálu elektrod a konstrukcí používaných v existujících vodíkových palivových cláncích na základe termodynamické analýzy všech významných procesu vcetne jejich vzájemné interakce.
Optimalizace provozních charakteristik (provozní doba a spolehlivost) vodíkových palivových clánku.
Vývoj matematického modelu procesu v membránách a elektrodách a jejich numerické simulace.
Jeden okruh výstupu se zamerí na aplikace v rízeném uvolnování léciv, senzorech, mikromechanických a mikrooptických zarízeních. Další okruh výstupu se zamerí na aplikace pro vývoj palivových clánku, zejména na optimalizaci membrán a celkovou termodynamickou analýzu k prodloužení provozní doby a zvýšení spolehlivosti vodíkových palivových clánku.
Cíl P2-a
Cíl P2-b
Cíl P2-c
Cíl P2-d
Cíl P2-e
Príprava nanokompozitních polymerních hydrogelu s unikátními vlastnostmi, studium jejich struktury a vlastností, zejména deformacních a pevnostních.
Výstup a1. Vybudování laboratore a instalace prístroje pro merení maloúhlového rozptylu X-paprsku. (12/2011)
Výstup a2. Vybudování chemické laboratore pro zajištení chemických syntéz a prípravy polymerních sítí a hydrogelu. (06/2012)
Výstup a3. Syntéza nových telechelických prepolymeru s hydrofilními bloky na bázi polyoxyethylenu a nových sítovadel komercne dostupných blokových amfifilních kopolymeru polyoxypropylenu a polyoxyetylenu (Jeffaminy rady ED, Pluroniky, Tetroniky, apod.). (06/2013)
Výstup a4. Príprava sérií polymerních sítí s hydrofilicitou rízenou obsahem polyoxyetylenu a stupnem sesítování. (12/2013)
Výstup a5. Výzkum struktury a termomechanických vlastností pripravených polymerních sítí s rízenou hydrofilitou pomocí malo- a širokoúhlového rozptylu X-paprsku a metod termické analýzy. (06/2014)
Výstup a6. Príprava nanofázove separovaných hydrogelu pomocí botnání pripravených hydrofilních sítí ve vode a vodních roztocích silných elektrolytu. Výzkum závislosti struktury a termomechanických vlastností hydrogelu na podmínkách prípravy. (12/2014)
Výsledek a1. Užitné funkcní vzory pripravených materiálu.
Výsledek a2. Patent prípravy a využití hydrofilních sítí a hydrogelu v biomedicíne.
Výsledek a3. 3 puvodní vedecké clánky o príprave studiu vlastností hydrofilních sítí a hydrogelu.
Cílová skupina: Spolupracující instituce výzkumného charakteru, firmy vyvíjející senzory nebo mikomechanická ci mikrooptická zarízení, farmaceutický prumysl.
Vypracování metodiky hodnocení úcinnosti a spolehlivosti vodíkových palivových clánku na základe vyvinutých teoretických modelu a experimentálních metod s možností vyšetrovat jejich provozní parametry (výkon, úcinnost premeny, spolehlivost provozu apod.).
Výstup b1. Nákup a instalace moderního zarízení na testování palivových clánku za úcelem studia chemických procesu na membránách a elektrodách. (6/2012)
Výstup b2. Príprava merícího systému k monitorování provozních parametru palivových clánku. (12/2012)
Výstup b3. Tvorba teoretického modelu vzájemne propojených transportních procesu v palivovém clánku na základe precisních experimentu s komercne vyrábenými palivovými clánky a na základe matematického modelu smesi ionizovaných chemicky reagujících látek. (12/2012)
Výsledek b1. Publikace popisující metodiku testování spolehlivosti a životnosti palivových clánku (do 12/2012).
Výsledek b2. Vytvorení software pro vyhodnocování provozních parametru palivových clánku. (do 7/2013)
Výsledek b3. Prezentace teoretického modelu na mezinárodních konferencích. (7/2013)
Cílová skupina: Budoucí výrobce palivových clánku, spolupracující instituce výzkumného charakteru.
Optimalizace geometrických rozmeru dosud užívaných membrán a elektrod z hlediska jejich provozních potreb.
Výstup c1. Na základe vlastních experimentu a teoretických záveru navrhnuta nová geometrie membrány a elektrod pro palivový clánek. (12/2014)
Výstup c2. Fyzikálne-chemická analýza membrány po dlouhodobém provozu (nekolik tisíc hodin) a vyhodnocení jejich strukturální a chemické degradace (spolecne s MFF UK). (12/2013)
Výsledek c1. Publikace popisující degradaci materiálu membrán v impaktovaných casopisech a sbornících mezinárodních konferencích. (12/2013)
Cílová skupina: Budoucí výrobce palivových clánku, spolupracující instituce výzkumného charakteru.
Zpresnit pomocí termodynamické analýzy fyzikálne-chemický model energetické premeny vzájemne se ovlivnujících procesu difuze hydroniových iontu, vody a elektrického toku.
Výstup d1. Príprava uživatelského pocítacového programu pro modelování pohonu vozidel s komercne dostupnými a nove vyvinutými palivovými clánky v kombinaci s trakcními bateriemi a ultrakapacitory. (12/2014)
Výstup d2. Teoretická analýza a numerické modelování fyzikálne chemických a energetických procesu; napr. difúze hydroniových iontu, vody a elektrického proudu. Overení vytvoreného teoretického modelu fyzikálne-chemických procesu na materiálech vlastní výroby. Simulace provozních charakteristik palivových clánku. (6/2015)
Výsledek d1. Publikace popisující vzájemnou interakci významných prenosových jevu v membránách v impaktovaných casopisech a sbornících mezinárodních konferencí. (12/2015)
Výsledek d2. Vytvorení software pro simulace pohonu vozidel s palivovými clánky. (12/2015)
Cílová skupina: Budoucí uživatelé, resp. výrobci palivových clánku, spolupracující instituce výzkumného charakteru.
Príprava vlastních membrán s požadovanou provozní dobou. Návrh odpovídajících technologických zlepšení, napr. nastavení chemického složení membrán za úcelem dosažení stavu vysoké konkurence schopnosti palivových clánku jako alternativního zdroje elektrické energie.
Výstup e1. Úprava stávajícího palivového clánku pro úcely dalšího výzkumu degradacních procesu a technologie membrán. (12/2015)
Výstup e2. Syntézou experimentálních poznatku a pocítacového modelování simulovat provozní podmínky pro vozidlové systémy, jak s využitím komercne dostupných tak i vyvíjených palivových clánku.
Výsledek e1. Metodika úpravy stávajícího palivového clánku. (12/2015)
Výsledek e2. Publikace popisující vzájemnou interakci významných prenosových jevu v membránách v impaktovaných casopisech a sbornících mezinárodních konferencí. (12/2015)
Cílová skupina: Budoucí uživatelé, resp. výrobci palivových clánku a spolupracující instituce výzkumného charakteru.
Souhrn publikací pro všechny cíle programu: Behem projektu bude zverejneno minimálne 11 publikací v impaktovaných casopisech.
Klícové metodologické prístupy, klícové výzvy, klícové vybavení:
Výzkum se bude opírat o experimentální techniky studia struktury nanokompozitních materiálu (malo- a širokoúhlový rozptyl X-paprsku a neutronu, transmisní elektronová mikroskopie, mikroskopie atomových sil) a merící zarízení pro termodynamické charakteristiky procesu ve složitých makroskopických systémech, jako jsou palivové clánky.
Výzkum hydrogelu má dlouholetou tradici v Ústavu makromolekulární chemie, v.v.i. v Praze. Od 60. let 20. století v nem probíhá výzkum orientovaný na aplikace, jako jsou polymerní nosice léciv, materiály pro kontakt s biologickým prostredím a bioanalogické polymery. Výzkum hydrogelu pro fotonické aplikace je v CR nový. Zarízení pro studium nanostruktur pomocí maloúhlového rozptylu X-paprsku je unikátní a v CR je dostupné zatím pouze v Ústavu makromolekulární chemie, v.v.i. v Praze. Nalezne uplatnení pri výzkumu i jiných druhu materiálu s nanofázove separovanou strukturou. Komplexní výzkum palivových clánku, který by krome chemických procesu na elektrodách a transportních procesu na membráne zahrnoval také soucasnou hydrodynamickou a termodynamickou analýzu prívodu paliva i odvodu vody a zbytkového tepla, se nikde v CR neprovádí.
Vybavení navrhované pro laborator CENTEM 2 se vhodne doplnuje s prístrojovou základnou pracovníku pocházejících z MFF UK a VŠCHT Praha a s prístrojovou základnou spolupracujících akademických a prumyslových partneru.
Následující prístroje mají pro laborator CENTEM 2 klícový význam:
zarízení pro merení maloúhlového rozptylu X-paprsku,
testovací zarízení pro palivové clánky,
prístroj pro gravimetrické merení sorpce par na porézních membránách,
inverzní plynový chromatograf pro detailní analýzu povrchu,
zarízení pro elektrochemickou impedancní spektroskopii na merení vodivosti polymerních membrán, prechodových vrstev apod.