GORILNA CELICA – KAJ, KAKO, KJE

Uvod:

Verjetno ste veliko že slišali o gorilnih celicah, saj so nekatere tovarne že predstavile svoje dosežke (avtomobilska industrija). Vendar je mnogim odtujeno, kako ta reč sploh deluje.

Animacija

Kaj sploh gorilna celica je:

To je elektrokemična naprava, ki pretvarja vodik in kisik v električno energijo in vodo (2H2 + O2 => 2H2O). Zelo je podobna bateriji, ki jo je možno ponovno napolniti, le da za to ne potrebujemo električne energije, ampak vodik in kisik. Velika je kot malo večji kovček.

Pričakuje se, da bo tak nacin pridobivanja energije dopolnjeval uporabo ostalih naprav – elektrarne, vozila na notranje izgorevanje ... , kot je to že naredil BMW s svojim vozilom na hibridni pogon (malo bencina, malo gorilne celice).
Glavna naloga gorilne celice je dovajanje električne energije, ki se uporablja v elektromotorjih, lučeh in ostalih napravah, ki delujejo na elektriko. Celice pa delimo na več vrst, glede na tip elektrolita, ki ga uporabljajo. Tako so nekatere primerne za uporabo v elektrarnah, druge pa za prenosne naprave (računalniki) ali napajanje avtomobila. Trenutno je najboljša alternativa uporaba membrane za izmenjavo protonov – proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Pričakujejo, da bodo ta način uporabljali v avtomobilih in mogoče tudi v naših domovih.

PEM:

To je eden izmed najbolj preprostih in obetavnih primerov gorilne celice:

  • Anoda predstavlja negativen pol gorilne celice in ima vec nalog. Najpomembnejša je ta, da odlepi elektrone od vodikovih atomov, ki so namenjeni za zunanji obtok (napajanje naprav). Sestavljena je iz večih kanalov, da se lahko vodikov plin enakomerno porazdeli po katalizatorju.


2H2 => 4H+ + 4e-

  • Katoda, pozitiven del gorilne celice, je tudi sestavljena iz večih kanalov zaradi enakega razloga kot anoda, le da katoda na katalizator dovaja kisik. Nanjo se tudi lovijo elektroni iz obtoka, katere dovaja na katalizator, kjer skupaj tvorijo vodo.


O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O

  • V tem primeru je elektrolit membrana za imenjavo protonov. Njena naloga je prevajanje protonov, pot elektronom pa preprečuje.
  • Katalizator je poseben material, ki pospešuje reakcijo kisika in vodika. Običajno je sestavljena iz ogljikove ploščice, prevlečene s platinovim prahom (na strani PEM). Površina je groba in zelo porozna, tako da je izkoriščeno maksimalno površine.

Težave z gorilnimi celicami:

Za potek reakcije sta torej potrebna kisik, ki je preprosto črpan iz zraka, in vodik, pri katerem pa nastopijo glavne težave, saj ga je zelo težko shranjevati. Tako je bilo nujno najti drugačen način pridobivanja vodika. Zato so si omislili nekakšen reformator, ki ogljikovodike pretvarja v vodik. Težava pa nastopi, ker izkoristek ni popoln, zraven dobimo še toploto in stranske pline. Zato je potrebno vodikov plin pred uporabo dodatno čistiti, vendar tudi ta postopek ni popolnoma zanesljiv, tako da na gorilne celice pride nekoliko 'umazan' vodik, ki posledično zmanjšuje izkoristek celic.

Najboljša za uporabo reformatorja sta propan in metanol. Metanol je tekoče gorivo s podobnimi lastnostmi kot bencin, a je lažji za transport od propana, tako da bodo metanol uporabljali za proizvajanje vodika.

Glavni namen gorilnih celic:

To je seveda zmanjševanje onesnaževanja okolice. Eden izmed težav onesnaževanja so seveda avtomobili. Primerjajmo izkoristke vozil na gorilne celice in na bencin oz. nafto

  • gorilne celice:
    uporaba vodika, kar ima okoli 80% izkoristek. Z uporabo reformatorjev ta odstotek pade na 30 – 40%, po pretvorbi v mehansko energijo pa na 25 – 30%
  • bencin oz. nafta:
    človek ne bi verjel, ampak vsa toplota in dodatna mehanska energija, ki je potrebna za delovanje motorja (bati, ventilatorji ...) zmanjšajo izkoristek takega motorja na vsega 20%

Poleg PEM obstajajo še:

  • Alkalne gorilne celice (AFC): uporabljene že leta 1960 v ameriškem vesoljskem programu. Deluje pri čistem vodiku in kisiku, zato je tak sistem zelo drag in verjetno ne bo prišel v komercialno uporabo.
  • Gorilne celice na fosforjevo kislino (PAFC): Ker delujejo na višji temperaturi kot PEM, niso primerne za uporabo v avtomobilih, saj je segrevanje na delovno temperaturo predolgo. Možnost uporabe pa je v majhnih električnih generatorjih.
  • Gorilne celice na trdni kisik (SOFC): Uporabne za napajanje celotnega mesta, delujejo pa pri temperaturi okrog 1000°C, kar povroča vec težav.
  • Ostalo

Uporaba:

  • v avtomobilski industiji okoli leta 2005. Najverjetnejša je uporaba metanola.
  • Veliko gorilnih celic je že v uporabi v bolnicah, hotelih, šolah, poslovnih stavbah, letališčih ...
  • možnost uporabe v prenosnih računalnikih, mobilnih telefonih ...
  • avtobusi: tu se je ta tehnologija že uveljavila, ker so bile  gorilne celice na začetku kar velike, najprimernejši pa je bil seveda avtobus
  • za domačo uporabo: pričakovano je že letos. Proizvaja elektriko in toploto, kar je lahko izkoriščeno kot vodni grelec.
  • v obliki elektrarne: trenutno je bila dosežena meja 250 kW, tako da se ta sistem še razvija.

Viri
Internetna stran: www.howstuffworks.com

Borut Pušnik, 26104153