|
Vyučující
|
-
Koláříková Kateřina, prof. Ing. Ph.D.
|
|
Obsah předmětu
|
Cílem předmětu je seznámit studenty s interakcí vodíku s materiály, s problémy vodíkového zkřehnutí a s materiálovými aspekty výroby, skladování a využití vodíku. 1. Úvod do vodíkových technologií a role materiálů, vodíková ekonomika, přehled aplikací a materiálové výzvy. Vodík jako energetický nosič (výroba, distribuce, skladování, využití). Typické materiálové problémy: vodíkové zkřehnutí, permeace, koroze, bezpečnost. Přehled typů materiálů používaných v H technologiích. 2. Fyzikálně-chemické vlastnosti vodíku relevantní pro materiály. Vlastnosti vodíku, termodynamické vlastnosti H, molekulární vs. atomární vodík, disociace, ionty, rozpustnost, difuze a permeace vodíku v materiálech. Bezpečnostní aspekty (výbušnost, úniky, zapalování). 3. Interakce vodíku s materiály. Absorpce, adsorpce, desorpce - povrchové a objemové děje. Sievertsův zákon, izotermy, sorpční křivky. Difuze, pasti pro vodík, vliv mikrostruktury. Základní modely permeace. 4. Mechanismy vodíkové degradace: vodíkové zkřehnutí (HE), HIC (hydrogen induced cracking), stress corrosion cracking v přítomnosti H, blistry, exfoliační porušení, Mikrostrukturní aspekty (segregace, precipitáty, rozhraní). Vliv napětí, cyklů, prostředí. 5. Oceli ve vodíkovém prostředí (I). Typické trubky a tlakové nádoby: C-Mn oceli, jemnozrnné oceli. Vliv složení, čistoty, tepelného zpracování na vodíkové zkřehnutí. Provozní podmínky: tlak, teplota, čistota vodíku. 6. Oceli a slitiny ve vodíkovém prostředí (II). Austenitické a duplexní nerezové oceli, jejich výhody a limity. Niklové slitiny pro extrémní podmínky. Hliník, měď, titan ve vodíkových aplikacích. Porovnání mechanických vlastností, odolnosti vůči H a ekonomiky. 7. Polymery a kompozity ve vodíkových technologiích. Potrubí, těsnění, membrány, vnitřní linery kompozitních nádob. Kompozitní tlakové nádoby, únavové a environmentální zatížení. Stárnutí polymerů vlivem plynů, teploty a UV. 8. Materiály pro skladování vodíku I: kovové hydridy. Základní princip skladování v kovových hydridech. Intermetalické sloučeniny (např. LaNi, Mg-H systémy, vysoce-entropické slitiny, Ti-V-Cr slitiny). P-T-x diagramy, kinetika nabíjení/vybíjení. Mechanické problémy (rozpad částic, objemové změny). 9. Materiály pro skladování vodíku II: sorpční a porézní materiály. Aktivní uhlí, MOF, zeolity, aerogely. Fyzisorpce vs. chemisorpce, vliv povrchu a pórovitosti. Přehled aktuálních trendů a limitů pro praktické použití. 10. Materiály v elektrolyzérech. Alkalické vs. PEM vs. vysokoteplotní (SOEC) elektrolyzéry. Elektrody, katalyzátory, membrány, bipolární desky, těsnění. Mechanismy degradace: koroze, rozpouštění katalyzátorů, namáhání membrán. 11. Materiály v palivových článcích a spalovacích systémech. PEMFC, SOFC, AFC - klíčové materiály (membrány, elektrody, katalyzátory, nosiče). Degradace membrán, karbonových nosičů, sintering katalyzátorů. Materiály pro spalovací motory a turbíny spalující vodík (trysky, komory, lopatky). Synergie a rozdíly oproti fosilním palivům. 12. Zkušební metody, normy a kvalifikace materiálů pro vodíkové prostředí. Mechanické zkoušky v přítomnosti vodíku (SSRT, fatigue crack growth, fracture toughness v H). Permeace, difuzní zkoušky, termická desorpce (TDS). Přehled hlavních norem a doporučení pro kvalifikaci materiálů a svarů pro H aplikace. 13. Integrace do praxe, bezpečnost a trendy. Bezpečnost vodíkových zařízení z materiálového hlediska (údržba, monitoring, NDT). EU a národní vodíkové strategie. Udržitelnost a LCA materiálů ve vodíkových technologiích. Trendy výzkumu a průmyslového vývoje.
|
|
Studijní aktivity a metody výuky
|
Přednáška, Cvičení
- Kontaktní výuka
- 39 hodin za semestr
- Příprava na zkoušku [10-60]
- 40 hodin za semestr
- Příprava na souhrnný test [6-30]
- 24 hodin za semestr
- Vypracování seminární práce v magisterském studijním programu [5-100]
- 30 hodin za semestr
- Příprava prezentace (referátu) [3-8]
- 8 hodin za semestr
|
| Předpoklady |
|---|
| Odborné znalosti |
|---|
| Absolutorium přednášek: KMM/NM, KMM/SMA |
| Základní orientace v materiálové problematice |
| Zná různé typy materiálů a jejich vlastnosti, |
| Zná základní procesy, které v materiálu probíhají při tepelném a mechanickém zatěžování (difúze, plastická deformace). |
| Odborné dovednosti |
|---|
| Schopnost logického myšlení. |
| Vypracovat laboratorní protokol. |
| Využití Fickových zákonů. |
| Obecné způsobilosti |
|---|
| mgr. studium: srozumitelně a přesvědčivě sdělují odborníkům i laikům informace o povaze odborných problémů a vlastním názoru na jejich řešení, |
| mgr. studium: samostatně získávají další odborné znalosti, dovednosti a způsobilosti na základě především praktické zkušenosti a jejího vyhodnocení, ale také samostatným studiem teoretických poznatků oboru., |
| mgr. studium: do řešení problémůzahrnují úvahu o jejich etickém rozměru, |
| Výsledky učení |
|---|
| Odborné znalosti |
|---|
| Získané vědomosti umožní studentům orientovat se v materiálové problematice na úrovni nezbytné pro úspěšné působení ve strojírenství, zejména v (jaderné) energetice. |
| Znalost fyzikálně-chemických vlastností vodíku a jejich vlivu na interakci vodíku s kovy, polymery a kompozity. |
| Znalost mechanismů vodíkové degradace materiálů, zejména typů vodíkového zkřehnutí, hydrogen induced cracking a vlivu mikrostruktury a napjatosti. |
| Znalost principů výběru a kvalifikace materiálů pro vodíkové technologie, včetně přehledu klíčových zkušebních metod a příslušných technických norem. |
| Odborné dovednosti |
|---|
| Analyzovat chování různých tříd materiálů ve vodíkovém prostředí a posuzovat riziko vodíkové degradace pro danou aplikaci. |
| Interpretovat výsledky zkoušek materiálů ve vodíku (např. pevnostní, lomově-mechanické, permeační a sorpční testy) a na jejich základě hodnotit vhodnost materiálu pro vodíkové technologie. |
| Obecné způsobilosti |
|---|
| mgr. studium: srozumitelně a přesvědčivě sdělují odborníkům i širší veřejnosti vlastní odborné názory, |
| mgr. studium: plánují, podporují a řídí s využitím teoretických poznatků oboru získávání dalších odborných znalostí, dovedností a způsobilostí ostatních členů týmu, |
| mgr. studium: efektivně a kriticky využít nástrojů umělé inteligence a nést konečnou odpovědnost za výsledek své práce, |
| Vyučovací metody |
|---|
| Odborné znalosti |
|---|
| Cvičení (praktické činnosti), |
| Výuka podporovaná multimédii, |
| Samostatná práce studentů, |
| Přednáška s diskusí, |
| Odborné dovednosti |
|---|
| Výuka podporovaná multimédii, |
| Laboratorní praktika, |
| Prezentace práce studentů, |
| Obecné způsobilosti |
|---|
| Výuka podporovaná multimédii, |
| Prezentace práce studentů, |
| Hodnotící metody |
|---|
| Odborné znalosti |
|---|
| Kombinovaná zkouška, |
| Seminární práce, |
| Skupinová prezentace, |
| Test, |
| Odborné dovednosti |
|---|
| Demonstrace dovedností (praktická činnost), |
| Seminární práce, |
| Obecné způsobilosti |
|---|
| Kombinovaná zkouška, |
| Skupinová prezentace, |
|
Doporučená literatura
|
-
Fiala, Jaroslav; Mentl, Václav,; Šutta, Pavol. Struktura a vlastnosti materiálů. Praha: Academia, 2003. ISBN 80-200-1223-0.
-
H.S. Maurya, F. Akhtar. Hydrogen embrittlement mitigation by surface modification: A review on current advances and future perspectives. International Journal of Hydrogen Energy 199. 2026.
-
Jieduo Guan, Chengguang Lang, Xiangdong Yao. Innovative carbon-based materials for efficient hydrogen storage: A review of solid, gaseous, and liquid systems. Progress in Materials Science 157. 2026.
-
Pilous, Václav. Spolehlivost svarových spojů nových žáropevných ocelí v energetickém strojírenství. 2008.
-
Ptáček, Luděk. Nauka o materiálu II. Brno. 2002.
-
Rong Qian, Suyue Hao, Xingjian Zou, Ruotong Zhao, Ronghua Li, Kuok Ho Daniel Tang. Technological developments and feasibility of hydrogen energy systems: production, storage, and distribution. Fuel 409. 2026.
|