• Javni natječaji
• Događanja
• Baze podataka
• Razgovori
• Izdvojeno
• Galerije slika
• Video galerija
• Korisno

Gorive ćelije

Gorive ćelije ili gorivi članci (eng. fuel cells, njem. Brennstoffzellen) u elektrokemijski pre­tvarači energije koji iz kemijske energije goriva izravno, bez pokretnih djelova i izgaranja, proizvode električnu (i toplinsku) energiju. Sam naziv ‘gorive' pri tome pomalo zavarava jer u njima ništa ne gori. Valja još spomenuti kako se kod nas nazivaju i gorivnim ćelijama (člancima ili elementima).

Po svome su načelu rada gorive ćelije slične baterijima, ali za razliku od njih, gorive ćelije zahtijevaju stalan dovod goriva i kisika. Pri tome gorivo može biti vodik, sintetski plin (smjesa vodika i ugljičnog dioksida), prirodni plin ili metanol, a produkti njihove reakcije s kisikom su voda, električna struja i toplina, pri čemu je cijeli proces, zapravo, suprotan procesu elektrolize vode.

Ovisno izvedbi, odnosno o primijenjenom elektrolitu, postoji više vrsta gorivih ćelija. Alkalijske gorive ćelije kao elektrolit koriste kalijev hidroksid, sumpornu kiselinu ili membranu na osnovi ionske zamjene i za svoj rad zahtijevaju posve čist vodik i kisik. Zbog toga se i koriste samo u svemiskom programu (Space Shuttle), ali nakon nezgode šatla Challenger NASA ozbiljno razmatra njihovu zamjenu suvremenijima - gorivim ćelijama s polimernom membranom . Zbog vrlo povoljnog omjera postignute snage i mase one su vrlo zanimljve za primjenu u automobilima i u stacionarnim energetskim postrojenjima malih snaga (od 200 do 250 kW). Gorive ćelije s fosfornom kiselinom također su već komercijalizirane i najčešće se koriste u kontejnerskim energetskim postrojenjima u kojima kao gorivo služi prirodni plin. Zbog visokih se pogonskih temperatura gorive ćelije s rastopljenim karbonatom i krutim oksidom nazivaju visokotemperaturnima i još su u fazi razvoja, iako je izvedeno nekoliko pokusnih postrojenja (snage i do 2 MW).

Osnovna podjela i svojstva gorivih ćelija

U glavne prednosti gorivih ćelija ubrajaju se visoki stupnjevi djelovanja (teoretski i do 90%, a stvarni oko 50%), pretvorba energije bez pokretnih djelova, mala razina buke te nikakve ili vrlo male količine štetnih ispušnih plinova. Zbog tih razloga gorive ćelije privlače sve veću pozornost za primjenu u vozilima i za proizvodnju električne energije.

Iako je načelo njihovog rada otkriveno još u 19. stoljeću (Sir William Grove, 1839. godine), prvi su put u praksi primijenjene u svemirskim programima Gemini i Apollo, ali je tek u posljednjem desetljeću prošloga stoljeća njihova tehnologija napredovala do granice komercijalizacije. Za sada je glavna pre­preka za veću primjenu visoka cijena koja je dobrim dijelom rezultat pojedinačne, a ne serijske proizvodnje (što je uobičajeno za sve nove tehnologije). Ipak, može se očekivati da će se njihova tehnologija probiti na tržište i u desetljećima koja dolaze postupno istisnuti uobičajene tehnologije pretvorbe energije u automobilima i u postrojenjima za proizvodnju električne energije.

Način rada gorivih ćelija

Od svih drugih izvedbi, za primjenu se najprikladnijima smatraju gorive ćelije s polimernom membranom, prije svega za pogon automobila. Razlog tome su visoki stupnjevi djelovanja, rad pri razmjerno niskim temperaturama zbog čega se vrlo brzo može doseći puna snaga, vrlo povoljan omjer postignute snage i mase te kruti elektrolit (polimerna membrana) zbog čega nema problema s održavanjem njegove čistoće i korozijom.

Glavni dio gorivih ćelija s polimernom membranom upravo je polimerna membrana, koja se najčešće izrađuje od politetrafluoretilena (teflona) s per­fluo­ro­sulfonskim skupinama (kao vodičima iona) i poznata je pod trgovačkim nazivima Nafion (tvrtke DuPont), Flemion ili Aciplex, a u SAD-u su razvijene i vrlo tanke (<20 m m) kompozitne membrane odličnih mehani­čkih i elektrokemijskih svojstava.

S obje strane membrane u neposrednom doticaju s njom nalaze se planarne porozne elektrode s platinom kao katalizatorom. Suvremene elektrode imaju manje od 0,3 mg platine po cm 2 . Elektrokemijske se reakcije do­ga­đaju na površini katalizatora u doticaju s polimerom. Na jednu se elektrodu (anodu) dovodi vo­dik, a na drugu (katodu) kisik ili kisikom bogata smjesa, primjerice zrak iz okolice. Na anodi se u doticaju s platinom vodik razlaže na elektrone i protone prema sljedećoj kemijskoj reakciji:

H 2 ® 2e - + 2H + .

Elektroni se odvode u struj­ni krug preko električki ­vodljive elektrode i kolektorskih, odnosno sepratorskih ploča, a protoni prolaze kroz polimernu protonski vo­dljivu membranu. Na dru­goj strani membrane, na površini elektrode, također uz prisutnost katalizatora (platine), protoni vodika se kreću s kisikom i elektronima koji su prošli kroz vanjski strujni krug (po mogućnosti i obavili koristan rad, npr. pogon elektromotora). Rezultat te elektrokemijske reakcije na katodi je čista voda:

2e - + 2H + + 1/2 O 2 ® H 2 O.

Ukupna je reakcija sljedeća:

H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O.

Teoretski potencijal te reakcije iznosi 1,23 V. Međutim, on zbog gubitaka u praksi iznosi oko 1 V pri otvorenom električnom krugu, tj. bez opterećenja. Pri opterećenju su gubici veći pa je normalni radni napon ovisan o struji. Maksi­malna se snaga postiže kod napona oko 0,5 V. Nazivni se napon može odabrati po volji između napona otvorenog kruga i napona koji odgovara maksimalnoj snazi, ali se najčešće odabire između 0,6 i 0,7 V. Ako se odabere premalen nazivni napon, tada je stupanj djelovanja mali, a ako se odabere prevelik, stupanj djelovanja je velik, ali je gustoća snage mala.

Osnovna značajka gorivih ćelija je njihova polarizacijska ili I-V krivulja koja prikazuje ovisnost napona o opterećenju, odnosno o jakosti struje. Kako bi takav prikaz bio neovisan o veličini gorivih ćelija, umjesto jakosti se koristi gustoća jakosti struje, odnosno jakost struje po jedinici površine (u A/cm 2 ).

Želim znati više:

• Vodik
• Primjena gorivih ćelija