Energija prihodnosti

Mentor: dr. Janez StepišnikPredmet: Fizika energijskih virovAvtor: Simon Jazbec

Program predstavitvePredstavitev osnovnih pojmov (osnovna “definicija”, katalizator, tvorbena entalpija, prosta energija, smer kemijske reakcije)Termodinamska obravnava (elektroliza vode, obratna elektroliza)Gorivna celica (kratka zgodovina, osnovna zgradba in principi delovanja, reformator goriva, izkoristek)Vrste gorivnih celic (PEMFC, PAFC, AFC, MCFC, SOFC, DMFC, RFC, ZAFC, PCFC)Uporaba gorivnih celicBencinsko osebno vozilo vs. hibridno (izkoristki, težave)Zaključek

Osnovna “definicija”“Gorivna celica je elektrokemični pretvornik, katerega naloga je proizvodnja električne energije iz kemične energije goriva in oksidanta”Najpogostejše gorivo je vodik in najpogostejši oksidant kisikDeluje na principu “inverzne elektrolize”Analogno delovanje klasični bateriji (termodinamsko zaprt sistem, GC termodinamsko odprt sistem)

Osnovna definicija širšeGorvina celica je elektrokemični pretvornik, katerega naloga je proizvodnja električneenergije iz kemične energije goriva in oksidanta. Celica deluje dokler ima zagotovljenzadosten pritok goriva (vodik ali z vodikom bogata snov, kot je recimo zemeljski plin, alkoholi in razni naftni derivati) in oksidanta (kisik, zrak, klor, klorovdioksid), odtokreakcijskih produktov in zadostno količino elektrolita znotraj celice. Za uspešnodelovanje celice je potrebno zadostiti še številnim drugim dejavnikom, kot so primernadelovna temperatura celice, hidracija membrane ipd.Gorivne celice so po zgradbi in principu delovanja zelo podobne klasičnim baterijam. Tako baterije kot gorivne celice imajo pozitivno nabito anodo, negativno nabito katodo in materijal, ki prevaja ione z imenom elektrolit. Ločimo številne vrste gorivnih celi, ki se med seboj razlikujejo predvsem po vrsti oz. obliki elektrolita, ki ga uporabljajo. Konvencionalne baterije energijo pridobivajo na račun različnih potencialov elektronov v kovinah. Bistvena razlika med baterijami in gorivnimi celicami je, da pri gorivnih celicah gorivo in ostale potrebne snovi dotekajo iz zunanjih virov. Iz termodinamskega stališča lahko torej govorimo o odprtih sistemih. Pri klasičnih baterijah pa imamo zaprt sistem, saj imamo omejeno v naprej določeno količino goriva oz. samih reaktantov znotraj sistema. Pri baterijah pa je to nekoliko drugače saj je ob izpraznitvi baterijo potrebno popolno napolniti.

Osnovna definicija širšeV teoriji praktična izvedba gorivne celica izgleda nekako tako, daimamo dve shranjevalni komori v katerih se nahajataelementarni vodik oz. kisik. Samo hranjenje vodika je dokajzahteven tehnološki postopek predvsem zaradi same tehničneizvedbe ter varnosti, ki je potrebna pri shranjevanju eksplozivnihplinov. V praksi se zato dostikrat raje uporabljajo z vodikombogata goriva, ki so primernejša, enostavnejša in predvsemvarnejša za hranjenje. Večina gorivnih celic kot gorivo potrebujeelementarni vodik oz. vodik z zelo malo primesmi, zato je izostalih vrst goriva vodik potrebno izločiti. Pri večini celic, kidelujejo pri nižjih temperaturah (izjema k temu je le celicaDMFC) to nalogo opravlja sekundarna naprava, ki jo imenujemoreformator goriva oz. tudi gorivni procesor. Pri celicah, kidelujejo pri višjih temperaturah, pa ta proces poteka samodejno, brez sekundarnih naprav. 

Katalizator in etalpijaKatalizator je snov, ki pospešuje oziroma inhibira reakcijo. V samo reakcijo ne vstopa, kar pomeni da ga imamo na začetku in koncu kemijske reakcije enakokoličino in v enakem stanju. To seveda ni popolnoma natančna izjava sajkatalizator v samo reakcijo vstopa, vendar se pri sami reakciji ne porabi. Njegova naloga je nižanje energijske bariere, ki jo morajo reaktanti preseči, dalahko reakcija uspešno poteče.Sprememba entalpija je merilo za sprembo notranje energije in opravljenega dela pri konstantnem volumnu

'Hr

Δ

Hs

Δ

HΔ

H

Entalpija sproščena pri

P,T=konst

reaktanti

produkti

“koordinate” reakcije

Procesi pri konst. T in pVpeljemo funkcijo G (prosta entalpija)

Smer reakcije pri konst. T in p je določena na podlagi načela minimalne proste entalpije.

( ) ( )( ) ( ) ( ) PTdrPTdrPT

PTdrPT

ATdSAQ

PdVTdSAPdVQPVSTEddG

,,,

,,

δδδ

δδ

=−+=

+−+−=+−=

ΔH ΔS ΔG = ΔH-TΔS­ + ­ Reakcija poteka spontano+ ­ + Reakcija potrebuje dodatno energijo­ ­ Predznak ΔG

določatjo relativne vrednosti ΔH, ΔS in

T

Če je reakcija spontana jo ženeentropija: povečanje neredazadostuje, pa čeprav pri tem porabljatoploto iz okolice.+ +

ElektrolizaElektroliza je elektrokemični proces pri katerem se s pomočjo platinastih elektrod, ki sta priključeni na virnapetosti, iz vode izločata elementarni vodik in kisik.Sprememba proste entalpije, ki je merilo za dovedenozunanje delo (električno), na kmol vode znaša 237.13J. Sprememba entalpije na kmol vode pa znaša 286.83J. Energijska razlika pride v obliki toplote iz okolice. 

Elektroliza

Inverzna elektrolizaReakcija:

Termodinamske lastnosti reaktantov in produktov  pri p = 1atm in T=298K

H2(g)  +  ½O2(g) H2O(l)

69.91 J/mol∙K205.14 J/mol∙K130.68 J/mol∙KEntropija (S)

‐285.83 kJ/mol00Entalpija (H)

H2O (l)O2H2

Prosta entalpija(G) ‐38.9 kJ/mol ‐30.6 kJ/mol ‐306.2 kJ/mol

Termodinamike elektrolizePlatinaste elektrode in koncentrirana žveplova(V) kislina

Opravljeno zunanje delo

I I

V- +

H2 O2

−−+ +↔ 442 SOH2 SOH

2- H 2eH2 →++

2eO21SOH OH SO -

24224 ++→+−−

222 O21H OH +→

( ) ( ) ( ) JGGGGWdr 237OHO21H 222 =−+=Δ=Δ

Termodinamike elektrolizeOstale količine

STVPEGWdr Δ−Δ+Δ=Δ=Δ

kJ 285.8 -H2O)( =Δ=Δ HH

( )( )( ) kJ 7.3K 300KJ/mol 3.8mol 5.1 ≈⋅==Δ nRTVP

( )( ) kJ 49J/K 69.9-J/K 205.10.5J/K 7.130K 300 −≈⋅+−=Δ− ST

kJ) 237G(kJ 282kJ 4 - kJ 286- =Δ=≈ΔΔ=Δ VPHE

Termodinamike elektrolizeNajmanjša napetost za disociacijo vode

Predstavlja nam minimalnonapetost, ki jo moramopriklju;iti na elektrode, daelektroliza poteče

( )eNVQVtIVGW A2 000min −×=×=Δ××=Δ−=Δ

V 23.1C/mole 1093.1J/mole 1037.2

2 5

5

0 =⋅⋅

=Δ

=eN

GVA

VV0

I

Gorilna celica Elektroliza

0<ΔG 0>ΔG

Zgodovina gorivnih celic1838 C.F. Schönbein (izumljen in v znanstveni revijiobjavljen prvi koncept gorivne celice)1839 Sir William Grove (demonstracija prve gorivne celice)1955 Thomas Grubb & Niedrach (Grubb‐Niedrach gorivna celica – izpopolnjeno delovanje)1959 Francis Thomas Bacon (prve komercialne izvedbe gorivnih celic)1960‐1970 Prat & Whitney (patentirata in izumljata gorivne celice za NASA, ki se kasneje uporabijo v vesoljskih programih – Gemini, Apollo)UTC Power (podjetje, ki razvija gorivne celice tako za komercialno rabo kot za vesoljski program Space Shuttel)

Zgodovina gorivnih celicPrincip gorivne celice je leta 1838 iznašel nemški znanstvenik Christian Friedrich Schönbein in rezultate objavil v eni izmed znanstvenih revij tistegačasa. Na podlagi njegove objave je leta 1839 Sir William Grove v februarskištevilki revije Philosophical Magazine and Journal of Science demonstriral prvogorivno celico. Njegova gorivna celica je bila narejena iz podobnih materijalovkot so današnje fosforno‐kislinske gorivne celice.Leta 1955 je kemikW. Thomas Grub, ki je delal za institut pod okriljem General Electric Company, modificiral originalni načrt, tako da je dodal požveplanopolistirensko ionsko izmenjevalno membrano v vlogi elektrolita. Tri letakasneje pa je kemik Leonard Niedrach, prav tako iz zgoraj omenjenegainstituta, iznašel način deponiranja platine na membrano, ki je služila kotkatalizator za vodikovo oksidacijsko in kisikovo redukcijsko reakcijo. Ta tip gorivne celice je postal znan pod imenom Grubb‐Niedrach gorivna celica. Podjetje GEC je nato nadaljevalo razvoj celic skupaj z vesoljsko agencijo NASA in podjetjem McDonnell Aircraft kar je pripeljalo do uporabe gorivnih celic priprojektu Gemini. 

Zgodovina gorivnih celicGorivne celice so postale zanimive za širšo javnost šele leta 1959, ko je britanski inžinirFrancis Thomas Bacon uspešno razvil 5kW stacionarno gorivno celico. Kasneje istega letaje ekipa pod vodstvom Harryja Ihriga sestavila 15kW traktor na gorivno celico, ki so gademonstrirali na sejmih po ZDA. Sistem je uporabljal NaOH kot elektrolit ter stisnjenvodik in kisik kot reaktanta. Kasneje leta 1959 je Bacon s kolegi demonstriral tudi 5kW močno enoto, ki je bila sposobna poganjati varilni aparat. V šestedesetih letih je Prattu in Whitneyu uspelo registrirati Baconove patente za uporabo v ameriškem vesoljskemprogramu. Gorivne celice so se tako pojavile v večini vesoljskih misij, saj so naraketoplanih proizvajale električno energijo in pitno vodo (goriva v obliki vodika in kisikaje na raketah ponavadi dovolj, saj ju uporabljajo kot gorivo tudi pogonski motorji). UTC Power je bilo prvo podjetje, ki je pričelo proizvodnjo komercialnih stacionarnihgorivnih celic. Sistemi so se pričeli uporabljati kot dodatni oz. rezervni generatorjielektrične energije v bolnicah, na univerzah in v velikih poslovnih stavbah. UTC Power ševedno prodaja omenjene različice gorivnih celic pod znamkami PureCell 200. Gre za200kW sistem, ki ga bo leta 2009 zamenjala 400kW različica. UTC Power je trenutnoedini dobavitelj gorivnih celic za NASO. Slednja je, kot je bilo omenjeno zgoraj, pričela z njihovo uporabo na večini vesoljskih misij, vse od Apollovih misij pa do novejšihprojektov v Space Shuttle programu. UTC Power prav tako razvija celice za avtomobile, avtobuse in za radijske oddajnike. Med drugim so tudi prvi predstavili gorivno celico, kije sposobna delovati pod temperaturo ledišča (tip gorivne celice na ti. protonskoizmenjevalno membrano).

Zgodovina gorivnih celicPratt in Whitney med razvijanjem AFC za program Apollo  (desno) in skicaWilliama Grova iz leta 1843(levo)

Osnovna zgradba in delovanjeVodik vodimo na anodo, kjer ob prisotnostikatalizatorja razpade na vodikove ione (protone) in naelektrone. Slednji potujejo v obliki električnega tokapreko zunanjenga tokokroga proti pozitivni katodi. To je tudi električna energija, ki jo pri sami celicikoristimo. Na katodo dovajamo kisik. Protoni, kidifundirajo skozi membrano (elektrolit) k katodi, se nakoncu rekombinirajo z elektroni in kisikom, tako dadobimo vodo. 

Osnovna zgradba in delovanjeKemijske reakcije v gorivni celici:

anoda: 2H2 => 4H+ + 4e‐katoda: O2 + 4H+ + 4e‐ => 2H2Oreakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Osnovna zgradba in delovanje

Reformator gorivaNizkotemperaturne gorivne celice za delovanje kot gorivo potrebujejo elementaren vodik. Slednji se na Zemlji ne pojavlja naravno zato njegovo pridobivanje potrebuje dokajtežavne tehnološke postopke. Visokotemperaturne gorivne celice pa lahko uporabljajotudi vodikova goriva z primesmi. Ta nastanejo iz drugih z vodikom bogatih virov kot so razni ogljikovodiki in alkoholi. Naprava, ki transformira omenjena z vodikom bogatagoriva v vodik, se imenuje reformator goriva.  Pridobivanje vodika iz metana poteka pri760ºC in se imenuje parna reformacija. Kemijska enačba procesa je sledeča:Reformatorji se razlikujejo tudi po količini predelanega goriva. Masovni reformatorji so ponavadi v obliki večjih tovarniških obratov katerih naloga je proizvodnja vodika. Slednjega kasneje dostavijo uporabnikom v elementarni obliki bodisi v tekočem stanju alipa pod visokim pritiskom v plinastem stanju. Lahko se uporabljajo tudi reformatorji nasrednjem nivoju. Ti proizvajajo vodikov plin z ostalimi primesmi, kot so CO2 in N2. Uporabnikom se dostavi v plinastem stanju. Obstajajo pa tudi manjši reformatorji, kisproti transformirajo gorivo, kot so recimo razni naftni derivati, tako da zadostijotrenutnim potrebam gorivne celice. Ta tip reformatorjev se uporablja predvsem v manjšihvozilih, ki delujejo na gorivne celice.Dolgoročno je seveda najbolj smiselna proizvodnja vodika na podlagi obnovljivih virovenergije (sončna, veterna in hidro energija), saj le tako dosežemo željene okolju prijaznepostopke celokupne uporabe gorivnih celic.Zgled: reakcija pridobivanja vodika iz metana pri temperaturi T = 760C:

CH4(g)+ 2 H2O(l) => CO2(g)+ 4 H2(g)

Izkoristek gorivne celiceVsi motorji na notranje izgorevanje, termoelektrarne, jedrske elektrarne ipd., proizvajajo energijo posredno preko toplote, ki jo nato pretvorijo v električnooz. mehansko energijo. Sam izkoristek teh strojev je omejen z entropijskimzakonom. V idelani Carnotovi krožni spremembi izkoristek toplotnega strojane more preseči vrednosti 1‐T2/T1, kjer je T2/T1 razmerje med izhodno in vhodno temperaturo. Gorivne celice pa ne delujejo kot toplotni stroji, sajelektrično energijo proizvajajo neposredno preko kemične reakcije. Vendarkljub dejstvu, da niso neposredno podvržene entropijskemu zakonu, je izkoristek omejen ravno na račun toplote. Izkoristek idealne gorivne celiceznaša tako nekako 83%. Realni izkoristki pa se gibljejo med 30% in 60%. Če pa uspemo izkoristiti tudi nastalo toploto, ki nastane pri rekombinaciji protonov, elektronov in kisika, pa celokupni izkoristki dosežejo vrednosti do 85%, kar je seveda mnogo več kot trenutno dosežejo najboljši bencinski motorji, ki imajoizkoristke slabih 30%.Izkoristek idealne gorilne celice (vodik ‐ kisik) je razmerje spremembe proste entalpije in spremembe notranje energije: (237 kJ / 286 kJ)x100% = 83%!

Izkoristek gorivne celiceTipične vrednosti napetosti, ki jo gorivna celica proizvede so nekakomed 0.6V in 0.7V. Napetost pa z večanjem električnega toka pada. Torej je sam izkoristek celice zelo odvisenod bremena, ki je na celico priključen. Vzroki za omenjeni pojav so sledeči:Aktivacijske izgube (izgube pri doseganju delovne temperature)Ohmske izgube (neizogibne pri bolj ali manj kateremukoli vezju)Izgube zaradi masovnega transporta (reaktanti pri velikih tokovih ne pridejo v stik s katalizatorjem in zapustijo celico) Da sistem lahko proizvede zaželjeno moč lahko več gorivnih celic združimo v ti. skupke. Če želimo višjo napetost, jih vežemo zaporedno, če pa želimo višje tokove, jih vežemovzporedno. Prav tako lahko večamo reakcijsko površino posameznih celic, da dosežemovečje tokove.  Za povezave med tako vezanimi gorivnimi elementi se uporabijo ti. bipolarne plošče. Slednje so izpostavljene tako oksidaciji in redukciji, saj povezuje obestrani gorivnega elementa. Glavni problem zato nastane stabilnost in vzdržljivostbipolarnih plošč. Kovinske plošče tako poškoduje proces korozije, pri katerem nastanejoželezovi in kromovi ioni, ki oslabijo lahko efektivnost membran in elektrod. V nizkotemperaturnih gorivnih celicah se uporabljajo lahke kovine, grafit in razni ogljikovikompoziti kot bipolarni materjali. Slednji so manj občutljivi na sam procese korozije. 

Gorivna celica na protonskoizmenjevalno membrano (PEMFC)

Anodna reakcija4H2(g)=> 4H+(aq) + 4e‐Katodna reakcija:O2(g) + 4H+(aq)  + 4e‐ => 2H2O(l) Skupna reakcija:2H2(g) + O2(g) => 2H2O(l)

Gorivna celica na protonskoizmenjevalno membrano (PEMFC)

Elektrolit: PEMKatalizator : PtGorivo: elementarni vodik (H2)Delovna temperatura: 80CIzkoristek : 40%‐50%Moč: 50kW ‐ 250kWHitro prilagajanje (najprimernejše za uporabo v vozilih)Visoka energijska gostotaVisoka cena (drag katalizator)Zastrupitve z ogljikovim monoksidomTrden elektrolit (potrebna je zadostna hidracija)

Gorivna celica na protonskoizmenjevalno membrano (PEMFC)

PEMFC veljajo za idealne gorivne celice namenjene za vozila. Prvič so bile uporabljene v šestdesetih letih prejšnega stoletja v vesoljskih programih NASA. Te celice delujejo pri relativno nizkih temperaturah, približno 80ºC, in imajovisoko energijsko gostoto. Prav tako lahko hitro spreminjajo velikost energije, ki jo proizvedejo, in se tako hitro prilagajajo porabnikom. Izmed vseh tipovgorivnih celic so zato najprimernejše za uporabo v vozilih. Slednja namrečpotrebujejo hitre spremembe energije, še posebno pri vžigu motorja. Veljajonekako za najbolše kandidate za uporabo na področjih vse od osebnih vozil, manjših zgradb pa do prenosnih baterij. Kot gorivo se uporablja zelo čistaoblika vodika, primesi namreč zmanjšujejo izkoristek ter poškodujejokatalizator in membrano. Kisik je nekoliko manj problematičen, saj ga lahkomed drugim lahko dobimo neposredno iz zraka. Nekaj nevšečnosti pa povzroča prevelika ali premajhna vlažnost. Vodik vodimo na anodo, kjer ob prisotnosti katalizatorja razpade na vodikove ione (protone) in na elektrone. Slednji potujejo v obliki električnega toka preko zunanjenga tokokroga protipozitivni katodi. To je tudi električna energija, ki jo pri sami celici koristimo. Na katodo dovajamo kisik. Protoni, ki difundirajo skozi membrano (elektrolit) k katodi, se na koncu rekombinirajo z elektroni in kisikom, tako da dobimovodo. Tovrstne celice proizvedejo moči nekako med 50kW in 250kW.

Gorivna celica na protonskoizmenjevalno membrano (PEMFC)

Anoda je negativni del gorivne celice. Osnovna naloga je proizvodnja in prevajanjeelektronov, ki nastanejo pri razbitju atomov vodika, v zunanji tokokrog.  Anoda imavgrajene posebne kanale, ki enakomerno razporedijo vodikov plin po površinikatalizatorja.Katoda je pozitivni del gorivne celice, ki ima tako kot anoda vgrajene kanale, kienakomerno porazdelijo kisik po površini katalizatorja. Prav tako privlači elektrone izzunanjega vezja nazaj v samo celico, kjer se rekombinirajo skupaj z protoni (vodikoviioni) in kisikom, tako da tvorijo vodo.Elektrolit predstavlja protonska izmenjevalna membrana (proton exchange membrane). PEM je trden organski polimer: poli‐perfluorožveplova kislina, ki prevaja oz. prepušča le pozitivne ione vodika (protone), elektronov pa ne prepušča. Za PEMFC mora bitimembrana ves čas navlažena (hidrirana), da lahko funkcionira in ostane stabilna. Trdenelektrolit predstavlja veliko prednost saj zmanjšuje možnost za korozijo in poenostavisamo vzdrževanje.Katalizator je posebna vrsta materiala, ki omogoča razpad vodikovih atomov na protonein elektrone. Običajno je narejen iz plemenitih kovin, največkrat platine nanešene natanek ogljikov listič. Površina katalizatorja je največkrat dodatno nagubana in porozna, tako da ima čim večjo površino, ki je v stiku z vodikom oz. kisikom. Površina prevlečena z platino je obrnjena proti membrani. 

Fosforno‐kislinske gorivne celice (PAFC)

Anodna reakcija4H2(g)=> 4H+(aq) + 4e‐Katodna reakcija:O2(g) + 4H+(aq)  + 4e‐ => 2H2O(l) Skupna reakcija:2H2(g) + O2(g) + CO2(g)=> 2H2O(l) + CO2(g)

Fosforno‐kislinske gorivne celice (PAFC)

Elektrolit: H3PO4 (membrana SiC)Katalizator : PtGorivo:  vodikova goriva s primesmiDelovna temperatura: 150C – 200CIzkoristek :  >40% (kogenerativni: 85%)Moč: 200kW ‐ 1MWKomercialno najbolj dostopnaZelo dovršena tehnologijaVisoka cena in stroški vzdrževanjaKoroziven elektrolitUporaba goriv s primesmi

Fosforno‐kislinske gorivne celice (PAFC)

To je danes ena izmed komercialno najbolj dostopnih gorivnih celic. Izdelali so že preko200 sistemov, ki kot vir energije uporabljajo prav PACF. Uporabljalo se vse od bolnic, domov za ostarele, hotelov, poslovnih stavb, šolah, manjših prenosnih elektrarnah, letaliških terminalih in raznih zbiralnikih odpadnih materijalov. Prav tako so tudi prvagorivna celica, ki je bila na voljo za komercialno uporabo. Celice so bile vse od leta 1960, ko so se prvič pojavile, zelo dodelane in izpopolnjene na področju stabilnosti, moči, izkoristka in cene. Izkoristek PACF gorivnih celic presega 40%. Prav tako omenjenisistemi izkoristijo tudi do 85% vodne pare, ki nastane pri delovanju samih celic ti. cogenerativni izkoristek. Delovne temperature so nekje med 150 ºC in 200 ºC, saj je prinižjih temperaturah žveplena kislina zelo slab prevajalec ionov. Prav tako lahko hitropride do ti. zastrupitve platinastega katalizatorja z ogljikovimmonoksidom (ti. carbon monoxide poisoning). Elektrolit je tekoča fosforjeva(V) kislina (H3PO4 ‐ skoraj 100% koncentracija), ki je vpita v matrico – membrano iz silicijevega karbida. Ena izmedglavnih prednosti PAFC, poleg dobrega klasičnega in kogenerativnega izkoristka, je dalahko za gorivo izkoristijo tudi vodik z večjo količino primesi. Tolerirajo lahkokoncetracijo primesi ogljikovega monoksida nekje do 1.5%, kar zelo poenostavi preskrboz gorivom. So tudi ene redkih celic, ki pri uporabi bencina oz. kakih drugih naftnihderivatov, nimamo prevelikih težav z vsebnostjo žveplo. Glavna pomankljivost PACF je dejstvo, da uporablja platino, zelo drago kovino, kot katalizator. Sama celica je tudinekoliko težja in večja po sami zgradbi. Na koncu je potrebno poudariti, da so PACF najbolj dovršen tip gorivnih celic, ki so danes komercialno na voljo. Obstoječe PACF, kijih proizvaja UTC FC, imajo moči nekje od 200kW do 1MW.

Alkalijske gorivne celice (AFC)Anodna reakcija2H2(g)+4(OH)‐(aq) => 4H2O(l) + 4e‐Katodna reakcija:O2(g) + 2H2O(l) + 4e‐ => 4(OH)‐(aq)Skupna reakcija:2H2(g) + O2(g) => 2H2O(l)

Alkalijske gorivne celice (AFC)Elektrolit: KOH (matrika)Katalizator : PtGorivo:  elementarni vodik (H2)Delovna temperatura: 150C – 200C (23C – 70C)Izkoristek :  70%Moč: 300W ‐ 5kWKomercialno najbolj dostopnaNajvišji direktni izkoristekReakcije potekajo zelo hitroVisoka cena in stroški vzdrževanjaUporaba v vesoljskih programih za proizvodnjo vode in elektrike na raketoplanih

Alkalijske gorivne celice (AFC)Tovrstne celice je dolgo uporabljala NASA na svojih vesoljskih misijah, zato so daleč najbolj izpopolnjena vrsta gorivnih celic. Te celice lahkodosežejo izkoristek nekako do 70%. Uporabljali so jih pri Apollo programu, kjer so na vesoljskih plovilih proizvajale električno energijoin pitno vodo. Delujejo pri temperaturah med 150ºC in 200ºC, novejše pa vse od sobnih temperatur (23ºC) pa nekje do 70ºC. Uporabljajo vodno raztopino kalijevega hidroksida (KOH), ki je vpit v matriko kot elektrolita. To predstavlja prednost, saj je katodna reakcija posledično hitrejša, kar pa pomeni bolšo zmogljivost in izkoristek. Matrica prepušča hidroksilne ione (to so tudi nosilci naboje, ki se gibljejo preko matrice k anodni strani). Do sedaj so bile nekako predrage za komercialno uporabo, vendar se danes veliko podjetij ukvarja z raznimi izboljšavami, ki bi pocenile samo proizvodnjo. Proizvajajo moči so nekako med 300W in 5kW. Celice so tudi zelo občutljive na vsebnost ogljikovega dioksida, metana in vodne pare, zato se kot oksidant ne sme uporabljati zrak, temveč elementarni kisik.

Gorivna celica na raztaljeni ogljik(MCFC)

Anodna reakcija2H2(g) + 2(CO3)2‐(g) => 2H2O(g) + 2CO2(g) + 4e‐Katodna reakcija:O2(g) + 2CO2(g) + 4e‐ => 2(CO3)2‐(g) Skupna reakcija:2H2(g) + O2(g) + 2CO2(g)  => 2H2O(l) + 2CO2(g)

Gorivna celica na raztaljeni ogljik(MCFC)

Elektrolit: raztaljeni Na, Li, K karbonati (Li‐Al oksid)Katalizator : /Gorivo:  z vodikom bogata gorivaDelovna temperatura: 650CIzkoristek :  60% (85%)Moč: 10kW ‐ 2MWŠirok spekter  gorivaKatalizator ni potrebenVisok izkoristekNižja cena proizvodnjeVisoka T zmanjša življensko dobo elementov Koroziven elektrolitVelika proizvedena moč (elektrarne na stacionarne gorivne celice)

Gorivna celica na raztaljeni ogljik(MCFC)

Ta tip celice kot elektrolit uporablja zmes staljenih karbonatnih soli kot so litijevi in natrijevi karbonati oz. litijevi in kalijevi karbonati. Elektrolit je prekrit z poroznim litij‐aluminijevem oksidom.  Veljajo za celice z zelo visokimizkoristkom, ki je okoli 60%, če pa upoštevamo še kogenerativni izkoristek, pa naraste nekje na 85%. Delujejo pri zelo visokih temperaturah, nekje okoli650ºC. Tako visoka delovna temperatura je nujna, saj potrebujemo zadostnoionsko prevodnost elektrolita. Ker delujejo pri tako visokih temperaturah, nipotrebno uporabljati žlahtnih kovin za katalizatorje, saj oksidacija in redukcijapotekata elektrokemično. Celica prav tako ne potrebujejo reformatorjev goriva, saj lahko pri tako visokih temperaturah direktno koristijo z vodikom bogatepline kot so recimo metan. Trenutno MCFC delujejo na vodiku, ogljikovemmonoksidu, metanu, propanu in določenim vrstam dizla. Danes izdelujejoMCFC z močmi nekako med 10kW in 2MW in se uporabljajo predvsem kotstacionarni viri električne energije (Japonska, Italija). Glavne prednostitovrstnih gorivnih celic, ki so posledica visokih delovnih temperatur, so visokizkoristek, neobčutljivost na vrsto goriva in nobenih proizvodnih stroškov s sicer dragimi katalizatorji, saj se cepitve ogljikovih vezi dogajajo zelo hitro in samodejno. Visoka temperatura pa ima tudi slabe strani, pospeši namrečkorozijo in tudi hitreje dotraja posamične komponente.

Trdno oksidne gorivne celice(SOFC)

Anodna reakcija2H2(g) + 2O2(g) => 2H2O(g) + 4e‐Katodna reakcija:O2(g) + 4e‐ => O2‐(g) Skupna reakcija:2H2(g) + O2(g) => 2H2O(l)

Trdno oksidne gorivne celice(SOFC)

Elektrolit: trden (Zr,Y)Katalizator : /Gorivo:  z vodikom bogato gorivoDelovna temperatura: 1000CIzkoristek :  60% (70%)Moč: 100kWŠirok spekter gorivaDolg zagon celiceNe potrebuje katalizatorja (nizki stroški proizvodnje)Visoka T – visok izkoristek a kratka življenjska doba

Trdno oksidne gorivne celice(SOFC)

Naslednja zelo obetavna gorivna celica je ti. SOFC. Ta celica se lahko uporabljaza zadostitev visokoenergijskih porabnikov, kot so industrijski obrati in večnamenske energijske postaje za širšo preskrbo z energijo. Nekateri razvijalciposkušajo implementirati SOFC tudi v vozila kot pomožne energijske pogone(auxiliary power units ‐ APU). SOFC običajno uporabljajo trden keramičenmaterijal, kot je recimo trden zirkonij skupaj z majhnim deležom itrija, namesto tekočega elektrolita, kar omogoča da delovne temperature dosežejotemperature okoli 1000ºC. To predstavlja tudi veliko prednost pri samiarhitekturi celice. Izkoristek je podobno kot pri MCFC okoli 60%, če pa upoštevamo še kogeneratrivni izkoristek, pa naraste na okoli 70%. Zaradivisokih delovnih temperatur lahko tudi te celice same iz goriva izločajo vodik. Ioni, ki potujejo iz ene strani celice na drugo (iz katode k anodi) so O2‐. Moč, kijo dosežejo, se merijo nekako v 100kW. Ena izmed prednosti tovrstnih celic je njihova arhitektura, saj se pojavljajo v zelo praktičnih oblikah, vse od dolgihpaličastih ‐ tubularnih oblik, pa do tankih diskastih celic. Palične gorivne celiceproizvedejo nekako 220kW. Japonska trenutno že uporablja dve 25kW postaji, 100kW pa trenutno testirajo v Evropi.

Direktna metanolska gorivnacelica (DMFC)

Majhna velikost in nizke delovne T (idealnost za majhne elektronske prenosne naprave)Delovanje brez reformatorjaDragi katalizatorjiRelativno nizka faza razvojaProblematičnost uporabe metanola

2CH3OH(aq) + 2H2O(l) => 2CO2(g) + 12H+(aq) + 12e‐Katodna reakcija:12H+(aq)  + 12e‐ + 3O2(g) => 6H2O(l)Skupna reakcija:2CH3OH(aq) + 3O2(g) => 4H2O(l) + 2CO2(g)

Direktna metanolska gorivnacelica (DMFC)

DMFC so šele v začetni fazi razvoja in se trenutno testno uporabljajopredvsem kot energijski viri za manjše prenosne elektronske naprave, kot so prenosniki in mobilniki. V devetdesetih letih so bile DMFC dokaj nepopularne zaradi majhne energijske gostote in slabegaizkoristka. Vendar so z izboljšavami katalizatorjev uspeli dosečiizkoristke okoli 40%. Po zgradbi so še najbolj podobne PEMFC sajoboje uporabljajo polimerno protonsko prepustno membrano kotelektrolit. Vendar DMFC ne potrebujejo gorivnega reformatorja, sajlahko same potegnejo vodik it raztopine metanola. Delujejo pritemperaturah med 50ºC in 120ºC. Po zgradbi so tudi nekoliko manjšenapram ostalim vrstam gorivnih celic. Tako so nekako najprimernejšeza manjše aplikacije, recimo za poganjanje mobilnih telefonov oz. prenosnikov. Nekoliko boljši izkoristki se lahko dosežejo pri višjihtemperaturah. Pojavlajo se težave pri preprečevanju difuzijo gorivaskozi membrano. Tovrstne celice se tudi največ uporabljajo v vojaškihraziskavah.

Regenerativne gorivne celiceTemelji na obnovljivih virihZaprti/zaključeni sistemiPotrebna je izgradnja zelo kompleksne in drage infrastruktureProjekt Helios (NASA) – letalo na sončne in gorivne celiceShranjevalniki energije (obnovljivi viri proizvajajo energijo v določenih časovnih intervalih, presežek te energije gre v proizvodnjo goriva, ki se ga skozi leto konstanto koristi za proizvodnjo energije z gorivnimi celicami)

Regenerativne gorivne celiceRegenerativne celice so najbolj uporabne za sklenjene zaprtesisteme, ki temeljijo na obnovljivih virih energije. Vodorazbijemo na vodik in kisik s pomočjo elektrolize ali kakšnedruge metode na račun sončne, vetrne, geotermalne ali vodneenergije. Vodik kot gorivo dovedemo v gorivno celico, ki generiraelektriko, toploto in vodo. Vodo lahko ponovno uporabimo in s tem dosežemo sklenjen krog. Izvedba takega sistema zahtevadokaj zahtevno infrastrukturo vse od oskrbe gorivnih celic z vodikom, njegovega shranjevanje, postavitve samih gorivnih celicin efektivne uporabe obnovljivih virov energije. Ta tip celic med drugim zelo pospešeno raziskuje tudi NASA. Izdelano imaprototipno letalo poimenovano Helios, ki leti na višini 30.000m in ima regenerativni sistem gorivnih in soncnih celic (sončnecelice poganjajo letalo podnevi, gorivne celice pa ponoči)

Cink‐zrak gorivna celica (ZAFC)

Lastnosti tako gorivnih celic kot klasičnih baterijTrden elektrolitPlinska difuzijska membranaUstvarjanje električnega potencialaNapram baterijam so izredno zanesljive in se polnijo veliko hitrejeCink je ena najpogostejših kovin na Zemlji (velik ekonomski potencial)Proizvodnja ogljikovega dioksida

Anodna reakcija2CH4 (g) + 2H2O(l) => 2CO2(g) + 12H+(aq) + 12e‐ + 2Zn‐(aq) + 2(OH)‐(aq) => 2ZnO( aq) + H2(g) + 2e‐Katodna reakcija:4H+(aq)  + 4e‐ + 2O2(g) => 2(OH)‐(aq) + 2O2(g) + 4H+(aq) + 4e‐ => 4H2O(l)Skupna reakcija:2CH4 (g) + 4O2(g) => 4H2O(l) + 2CO2(g)

Cink‐zrak gorivna celica (ZAFC)ZAFC ima lastnosti marsikatere izmed prej omenjenihgorivnih celic kot tudi lastnost klasičnih baterij. V tipičniZAFC imamo trden keramičen elektrolit, ki prevajahidroksilne ione. Da dosežemo dovolj dobro prevajanjeionov, deluje celica pri temperaturi 700ºC. Cinkova anodaje od katode ločena z ti. plinsko difuzijsko elektrodo t.j. membrano, ki prepušča atmosferski kisik. Kisik se natopretvori v hidroksilne ione ter vodo. Hidroksilni ioni natopotujejo preko elektrolita k cinkovi anodi. Tukaj reagirajoin nastane cinkov oksid. Ta proces ustvari električnipotencial, kar predstavlja vir električne energije. Ta elektro‐kemični proces je zelo podoben PEM gorivni celici, razlikuje pa se predvsem v načinu dovajanja goriva. Slednjije bolj soroden konvencionalnim baterijam.

Cink‐zrak gorivna celica (ZAFC)Podjetje Metallic Power izdeluje model ZACF, ki vsebujejo zinkov“gorivni tank” in zinkov hladilnik, ki avtomatsko in neslišno regeneriragorivo. V tem zaprtem krogu/sistemu, se električna energija proizvaja, ko se zmešata cink in kisik v prisotnosti elektrolita (podobno kotPEMFC), pri čemer dobimo cinkov oksid. Ko je vso gorivo porabljeno, se sistem priklopi na omrežje in proces se obrne, kar povzroči nastanekcinkove tablic. Glavna prednost tega načina je, da traja omenjeniinverzni proces le nekaj minut, tako da sam proces polnenja ni večzamuden, kot je recimo pri klasičnih baterijah. Še ena in verjetnonajvečja prednost ZAFC napram baterijam pa je, da imajo zelo visokospecifično energijo, kar pomeni da delujejo precej dlje kot baterija z enako maso. Posledično se je zelo razširila uporaba ZAFC v vozilih, sajlahko tako opremljena električna vozila potujejo precej dlje, pa tudisamo polnjenje je hitro in enostavno. Prav tako je cink zelo pogosta in razširjena kovina na našem planetu, kar se precej pozna na samiproizvodnji ceni. Trenutno se z aplikacijami ukvarja podjetje Powerzinciz južne Kalifornije.

Protonska keramična gorivnacelica (PCFC)

Ta tip gorivne celice temelji na keramičnem elektrolitskem materijalu, ki je zelo dober protonski prevodnik pri višjih temperaturah. PCFC imajo vse prednosti delovanja pri visoko temperaturnih gorivnih celic(700ºC) kot so recimo MCFC in SOFC, hkrati pa izkoriščajo prednostiprevajanja protonov kot v PAFC in PEMFC. Visoka temperatura je nujnaza doseganje visokega izkoristka z ogljikovodikovimi gorivi. Ker PCFC delujejo pri visokih temperaturah lahko kot gorivo uporabljajo fosilnagoriva. To eliminira vmesen korak, produkcijo vodika skozi zelo drag in tehnološko zahteven ločevalni proces. Plinaste molekuleogljikovodikovih goriv se absorbirajo na površini anode v prisotnostivodne pare, vodikovi atomi pa so istočasno ločeni in absorbirani v elektrolitu. Na žalost pa je ogljikov dioksid eden izmed primarnihreakcijskih produktov, kar je nekoliko problematično zaradionesnaževanja okolja. Ker je elektrolit PCFC trden, se membrana ne mora izsušiti, kot recimo v PEMFC, oz. nimamo raznih težav z razlitji. Glavni razvijalec tovrstnih gorivnih celic je Protonetic Internationa Inc.

Uporaba gorivnih celicObstajajo številna področja, ki izkoriščajo oz. bodo v bližnjiprihodnosti pričela izkoriščati gorivne celice, kot primarni vir energije. Največji razmah bo zagoto doživel transport. Trenutno je ves zahodnisvet (še posebno ZDA), odvisen od uvoza surove nafte. Prav tako se same zaloge nafte manjšajo, tako da smo prisiljeni iskati alternativnemožnosti poganjanja strojev in pridobivanja energije. Na tem mestu je potrebno izpostaviti tudi ekološki vidik, saj so gorivne celice napramklasičnim naftnim strojem in drugim načinom pridobivanja energije(sežig surovin), zelo čista tehnologija. Vendar uporaba ni omejena le natransport, temveč tudi na ostala področja, ki potrebujejo vire energije, vse od gospodinjskih pripomočkov, računalniške tehnologije, oskrbe z energijo, telekomunikacije, detektorjev, elektronskih pripomočkov pa do uporabe v znanosti. Danes že številne bolnice, banke, policijskepostaje, vojaške baze, hoteli, telekomunikacijski stolpi in industrijskiter predelovalni obrati uporabljajo gorivne celice kot glavne ali rezervnevire energije. Poglejmo si posamezna področja nekoliko podrobneje.

Stacionarne namestitveDo sedaj so po svetu postavili že preko 2500 sistemov, ki jihpoganjajo gorivne celice. Vse od bolnic, domov, hotelov, šol, bank, poslovnih zgradb, univerz pa do manjšihelektrarn in industrijskih obratov. Njihova naloga je bodisipreskrba z energijo ali pa le sekundarna rezervna zalogaenergije. Današnji sistemi dosežejo v povprečju 40% izkoristke goriva napram proizvedeni elektriki (fuel‐to‐electricity efficiency). Pretežno se uporabljajoogljikovodikova goriva. Celice delujejo skoraj brezslišno, kar znižna zvočno onesnaženje okolice. Prav tako lahkoizkoristek celic izboljšamo z izkoriščanjem odvečne toplotev obliki pare (izkoristek kogeneracije). V večjih sistemih se tako lahko tako doseže skupen izkoristek kar 85% in znižastroške delovanja in servisiranja za 20% do 40%. 

Stacionarne namestitveKer se danes v telekomunikacija bolj ali manj pri vsehprocesih uporabljajo računalniki in ostale elektronskenaprave, je zelo pomembno, da imamo konstantno in zanesljivo preskrbo z energijo. Gorivne celice imajozanesljivost kar 99,999% (v 2 letih bi v povprečju ne delovale le 5 min). Prav tako lahko nadomestijo uporabobaterij oz. akumulatorjev v odročnejši krajih. Priodlagalilščih odpadkov, čistilnih napravah, pivovarnah se gorivne celice uporabljajo predvsem zaradi dejstva, dalahko kot gorivo koristijo sam metan, ki nastaja kotprodukt pri njihovem obratovanju hkrati pa zmanjšujejosamo onasneževanje okolja.

Stacionarne gorivne celiceFuelCell Energy 250kW elektrana na direktne gorivnecelice (levo) in gorivna celica na odpadne pline(Japonska) (desno)

TransportVsi večji avtomobilski koncerni imajo danes oddelke, ki se ukvarjajo z razvojem in implementacijo gorivnihcelic v vozila kot bodisi primarni ali pa le rezervni virienergije. Hibridna vozila so na voljo že nekaj let, vendar njihova uporaba še zdaleč ni na komercialnodostopnem nivoju. Tudi avtobusi, tako kot osebnavozila, doživljajo razvoj v smeri čistejše energije. V zadnjih štirih letih so vpeljali več kot 50 avtobusov nagorivne celice vse od Severne in Južne Amerike, Evropepa do Azije in Avstralije. Zaradi visokega izkoristka, tihega in predvsem čistega delovanja so idealna rešitevza mesta, ki se utapljajo v onesnaženju zaradi prometa. 

TransportMotorji in skuterji so kljub svoji majhnosti velikionesnaževalci okolja. Skuterji, ki delujejo na plin in imajodvotaktni motor, proizvedejo v svoji življenski dobi velikoveč ogljikovodikov in ogljikovega monoksida kot veliktovornjak. Zaradi majhne porabe energije so nekakoidealen primer za implementacijo gorivnih celic. Priviličarjih in ostalih delovnih strojih, se bi uporaba gorivnihcelic, poleg zmanjšanja onesnaženja okolice, poznalapredvsem v znižanju samih stroškov uporabe in servisiranja. Menjanja in polnenja klasičnih akumulatorjevnebi bilo več potrebno. Prav tako bi gorivne celicezagotavljale konstanten dotok energije, pri baterijah je namreč lahko ob velikih nenadnih obremenitvah prišlo do preobremenitev in izpadov.

TransportGM Hy‐Wire osebno vozilo na gorivne celice (levo) in Aprilla : skuter na gorivne celice (desno)

TransportPomožne energijske enote (APU) se danes pogosto uporabljalopredvsem pri transportnih tovornjakih za hlajenje, gretje, prezračevanje, mikrovalove, zmrzovanje, vrtenje, poganjanjeračunalnikov, televizije in telekomunikacijskih naprav. Vse napraveporabijo ogromno energije, zato tudi če je tovornjak parkiran, moramotor še vedno delovati, da se akumulatorji ne izpraznijo. V ZDA je DOE (The Department of Energy) ocenil da bi z uporabo APU privrčevalni do 670 milijonov galonov goriva, kar predstavlja izpust4.64 milijona ton ogljikovega dioksida na leto.Razvijajo se tudi gorivne celice primerne za lokomotive, ki delujejo v rudnikih, saj v zaprtih prostorih nebi proizvajale nobenih izpušnihplinov. Trenutno poteka mednaroden projekt, ki razvija največji strojna gorivne celice, težak 109 metričnih ton in z močjo 1MW energije. Greza lokomotivo, ki bo zadostila tako vojaškim kot komercialnimželežniškim potrebam.

TransportBallard: 2. Generacija avtobusov na gorivne celice(levo) in Coval H2: T‐1000 tovornjak na gorivne celice(desno)

TransportV letalstvu je za uporabo gorivnih celic najboljzainteresirana vojska, saj gorivne celice ne proizvajajoskoraj nobenega zvoka, kar bi letala naredilo skorajneslišna. Prav tako bi letala puščala manjšitemperaturni profil in dosegala večje višine. Z razvojem se ukvarjajo tudi koncerni kot so Boeing. Zavsak liter goriva, ki ga porabi ladja, v povprečjuproizvede 140 krat več izpušnih plinov kot osebni avto. Uporaba gorivnih celic bi zelo razbremenilaonesnaženost morij. Islandija je sprejela odlok, da bodo leta 2015 večini ribiške flote spremenila pogon, takoda bo temeljil na gorivnih celicah.

Prenosna energija in elektronikaGorivne celice lahko proizvajajo energijo tudi tam, kjer nimamona voljo nobenih drugih virov energije; elektrike, sonca, vetra, geotermalne in hidroenergije. So okolju prijazni generatorji, sajga ne onesnažujejo in ne povzročajo hrupa. So izvrstni rezervniviri saj so skoraj 100% zanesljivi. So tudi precej lažji in vzdržljivejši od navadnih baterij.Razvoj gorivnih celic bo zagotovo spremenil elektronskoindustrijo, saj bo spremenil energijske vire, ki poganjajoračunalnike, mobilne telefone, palme ipd. Viri bodo precej lažji, zmoglivejši, okolju prijaznejši in vzdržljivejši. Trenutno lahkovzdržujejo prenosnik, da deluje več kot 20ur, mobilni telefon pa več kot 30 dni. Prav tako bi se jih dalo implementirani na vsoostalo elektroniko, ki temelji na baterijah, kot so razni detektorji, alarmi, ključavnice, naprave za skeniranje in branje, ipd.

Prenosna energija in elektronikaVoler VE – 100 prenosna gorivna celica (levo) in  Motorola mobilni telefon na DMFC (desno)

Bencinsko osebno vozilo vs. hibridEden izmed glavnih ciljev gorivnih celic je gotovo zagotavljanjevarne, zanesljive in okolju prijazne oblike električne energije. Gorivne celice omogočajo uporabo bolj dostopnih in razširjenihgoriv napram neobnovljivim virom kot so recimo fosilna goriva. Prav tako imajo precej bolši izkoristek. Poglejmo si primerjavomed avtomobilom na gorivne celice in klasičnim bencinskimavtomobilom. Če imamo osebno vozilo na gorivne celice, ki ga poganja čistivodik, lahko doseže potencialno 83% izkoristek, kar pomeni dalahko v električno energijo spremeni 83% energije vodika. Ševedno pa je potrebno električno energijo spremeniti v mehansko. To dosežemo z uporabo elektro motorja in inverterja. Slednjaimata nekako skupen izkoristek okoli 80%. Skupaj lahkodosežemo torej nekako 66% izkoristek. Honda FCX koncept ima60% izkoristek energije.

Bencinsko osebno vozilo vs. hibridČe gorivo ni čisti vodik, torej kaka z vodikom bogata snov, potrebuje vozilo tudi ti. reformer. Slednji pretvarjaogljikovodikova in alkoholna goriva v vodik, toploto in drugeplinaste produkte. Zato so potrebne še številne sekundarnenaprave, ki prečiščujejo oz. ločujejo vodik. Kljub temu pa nam nakoncu ostane vodik z raznimi primesmi, kar znatno znižaizkoristek gorivnih celic. Zaradi omenjenih razlogov so se podjetja in instituti osredotočili na razvoj vozil na čisti vodik.Izkoristek avtomobilov na naftne derivate je zelo nizek. Vsatoplota, ki jo motor izloči je izgubljena, torej velik del energijasploh ne izkoristimo. Motorji uporabijo tudi ogromno energijeza samo delovanje od raznih pump, generatorjev pa do hladilnihsistemov. Povprečen izkoristek motorja na bencin znaša le 20%. Torej le 20% energijske vrednosti goriva se pretvori v mehanskodelo.

Bencinsko osebno vozilo vs. hibridAvtomobili na električno energijo imajo sami po sebi zelo doberizkoristek. Baterija deluje nekako pri 90% izkoristku, pretvornik pa tako kot v primeru hibrida deluje z 80% izkoristkom. Skupaj bi pričakovali 72% izkoristek. Vendar to ni celotna zgodba. Potrebno je upoštevati še izgube, ki so nastale pri polnenju avta z električnoenergijo in proizvodnja same energije. Termoelektrarne imajo v povprečju nekako 40% izkoristek, torej 40% energijske vrednosti goriva(premog, plin,…) se pretvori v električno energijo. Prav tako ima samopolnenje avtomobila nekako 90% izkoristek saj je potrebno izmeničnonapetost (AC) pretvoriti v direktno (DC). Celoten cikel nam torejnavrže skupen 24% izkoristek, kar je le malo več od bencinskegamotorja. Če pa uporabljamo hidroelektrarne, kot vir električneenergije, je izkoristek presenetljivo boljši, kar 65%. Ne smemo pozabiti, da tudi sama proizvodnja elementarnega vodika, terja določenenergijski vložek in ima je zato realni izkoristek hibrida posledičnonekoliko manjši od zgoraj izračunanega.

Bencinsko osebno vozilo vs. hibridHonda’s FCX Concept Vehicle  (levo) in Honda’s Airstream Concept (desno)

Težave z gorivnimi celicami pri uporabi v osebnih vozilih

Cena: Glavna slabost gorivnih celic je trenutno njihova cena, sajso proizvodnji in vzdrževalni stroški zelo visoki. Recimo v PEMFC sistemih je katalizator zelo draga žlahtne kovina –platina. Skupaj z plastmi, ki poskrbijo za difuzijo plina, in bipolarnimi ploščami predstavljajo kar 70% celotne cenesistema.  Da bi lahko konkurirali avtomobilom na naftnederivate, bi morali doseči ceno 35$/kW. Trenutno proizvodnjacena presega 110$/kW. Vzdržljivost: Raziskovalci se trudijo razvijati PEMFC membrane, ki lahko vzdržijo temperature višje od 100ºC in hkrati delujejotudi pod temperaturo ledišča. Temperatura nad 100ºC je namrečpotrebna za uspešno delovanje gorivnih celic pri gorivu z primesmi. Prav tako morajo membrane vzdržati neprestanevžige in izklope. To predstavlja trenutno še dokaj velik problem, še posebno, ko se delovne temperature višajo.

Težave z gorivnimi celicami pri uporabi v osebnih vozilih

Hidracija: Ker morajo PEMFC membrane ostatinavlažene/hidrirane, tako da lahko uspešno prenašajo protone, je potrebno iznajti gorivne celice, ki uspešno delujejo tudi v okoljih kjer temperature padejo krepko pod 0ºC,  kjer je vlažnostzraka zelo nizka ali pa so temperature zelo visoke. Že pritemperaturi 80ºC hidracija izgine, če celica ni pod visokimpritiskom. SOFC sistemi imajo še nadaljne težave z korozijomaterijala in ekstremnimi temperaturnimi razlikami (razlikamed sobno in delovno temperaturo). Sprejemljiva cena za SOFC sisteme je zato nekoliko višja, okoli 400$/kW.Oskrba z gorivom: DOE (The Department of Energy) je v svojemtehničnem načrtu za razvoj gorivnih celic naznanil, da zračnekompresorske metode, ki so trenutno na voljo, niso primerna zauporabo v vozilih. To pomeni, da je sistem za oskrbo celice z vodikom nekoliko problematičen. 

Težave z gorivnimi celicami pri uporabi v osebnih vozilih

Infrastruktura: Z namenom da PEMFC vozila postanejo konkurenčna klasičnimvozilom je potrebno izgraditi celotno infrastruktura pridobivanja vodika in oskrbe z njim. Kot infrastrukturo mislimo predvsem plinovode, klasičentransport z tovornjaki, ladjami oz. vlaki, črpalke za polnenje goriva ter same obrate, ki proizvajajo vodikovo gorivo. DOE predvideva, da bodo vložki v infrastrukturo in njena izgradnja prišla nekako skupaj z prvim komercialnouspešnim oz. dostopnim vozilom in bodo presegali 500 milijard dolarjev.Shranjevanje vodika: Osebna vozila imajo nekako povprečen doseg s polnimtankom goriva okoli 500km. Da bi vozila na gorivne celice uspešno konkuriralana tržišču je potrebno, da sama vzdržijo nekako primerljive razdalje. Na tem mestu je v upoštev potrebno vzeti predvsem praktično in varno shranjevanjevodika ter samo maso in volumen gorivnih celic. Čeprav se z ravojem velikost in masa PEMFC zmanjšuje, so še vedno nepraktične za množično uporabo v vozilih. Seveda obstajajo tudi težave povezane z varnostnjo gorivnih celic, takona področju ukrepanja v primeru nesreč tovrstnih vozil kot na področju splošnevarnosti pri bolj sunkovitih in dinamičnih spremembah samega gibanjarezervarja z tekočim oz. visokotlačnim vodikom.

ZaključekGlavni razlog zakaj sodelujejo ZDA in ostale razvite države s številnim univerzami in podjetji doma in po svetu z namenomizboljšati delovanje gorivnih celic, tako da bodo postalekomercialno dostopne, je gotovo zmanjšanje odvisnosti od uvozasurove nafte. Trenutni trendi kažejo, da se bo poraba nafte v prihodnjih letih povečevala, cene pa bodo naraščale predvsem naračun krčenja zalog v dosedanjih ter zaradi same nedostopnostiin visokih stroškov črpanja v novih nahajališčih. Uporaba nafte in ostalih fosilnih goriv je tudi glavni onesnaževalec okolja. Slednjenaj bi bil tudi poglaviten razlog za pojav globalnega segrevanja. Gorivne celice zato predstavljajo nekako idealno rešitevomenjenih problemov. Delujejo praktično brez onesnaževanjaokolja in so neodvisne od uvoza goriva iz drugih držav. Glavniproblem je seveda enostavna in čista proizvodnja elementarnegavodika kot goriva.

ZaključekZačasna rešitev je predelava z vodikom bogatih snovi, vendar bi za dolgoročno uporabo potrebovali nekakšne obnovljive vire oz. načine pridobivanja vodika. Trenutno je sama izdelava gorivnihcelic tehnološko zelo drag postopek in se iz ekonomskih stališčše ne more popolnoma uveljavi. Z nadaljnimi investicijami in razvojem pa bodo v prihodnjih letih oz. desetletjih gorivne celicezagotovo zasedle popembnomesto na številnih področjihpridobivanja energije. S tem namenom so se države pričelepovezovati v organizacijo za sodelovanje z imenomMednarodnopartnerstvo za vodikovo ekonomijo (The International Partnership for the Hydrogen Economy). Trenutne članice so: Avstralija, Indija, Brazilija, Italija, Kanada, Japonska, Kitajska, Nova Zelandija, Francija, Nizozemska, Nemčija, Koreja, Islandija, Rusija, Velika Britanija in ZDA. 

Viri[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

[2] http://www.fuelcells.org/

[3] http://www.howstuffworks.com/fuel‐cell.htm

[4] http://www.solarnavigator.net/fuel_cells_basic_types.htm

[5] http://americanhistory.si.edu/fuelcells/origins/origins.htm

[6] http://www.ectechnic.co.uk/info.html

[7] http://www.mojmikro.si/geekfest/pogled_naprej/gorivne_celice