Gorilne celice

Kaj so gorilne celice

Glede na mnenja mnogih je to konvertor oz. shranjevalec energije v prihodnosti. S pomočjo energijske celice lahko spremenimo vodik in kisik v električno energijo, toploto ter vodo. Tako lahko pridobivamo energijo na ekološko neoporečen način.

Zgodovina

Gorilne celice niso nova ideja. Postopek, da lahko iz reakcije med vodikom in kisikom dobimo elektriko in topel zrak, je že leta 1839 odkril valižanski sir William Groove, sodnik in znanstvenik. Toda njegov izum za proizvodnjo elektrike in toplote se je umaknil v senco pred toplotnim spreminjanjem energije Francoza Sadija Carnota. Večjega zanimanja za njegovo odkritje ni bilo, dokler niso v šestdesetih v ZDA začeli z vesoljskim programom. Izbrali so gorilne celice namesto tvegane jedrske in dražje sončne energije. Z  svojo energijo so oskrbovale vesoljski raketi Gemini in Apollo in še vedno oskrbujejo vesoljske ladje z elektriko in vodo. Razen pri vesoljskih poletih, gorilne celice doslej niso imele nobene večje vloge. Tehnologija še ni bila dovolj zrela in veliko predraga za splošno uporabo.

             

Space Shuttle pri vzletu in pristanku.

V začetku 21. stoletja pa se je zanimanje za to vrsto energije močno povečalo. Mnogi pravijo da bomo kmalu uporabljali energijske celice tudi doma za pridobivanje elektrike doma in v avtomobilih.

Kako deluje

Energijska celica je naprava, ki vodik in kisik elektrokemično spreminja v toploto ter električno energijo. Je zelo podobna bateriji, ki jo lahko polnimo tudi med obratovanjem. Polnimo pa je ne z el. energijo, temveč z kisikom in vodikom. Energijska celica bo tekmovala z mnogo drugimi napravami, kot so: termoelektrarne, motorji z notranjim izgorevanjem, baterije…

Motorji na notranje izgorevanje izkoriščajo pritisk, ki nastane z izgorevanjem goriva, da opravlja mehansko delo.

Baterije shranijo el. energijo tako da jo spreminjajo v kemično. Kemična energija se lahko po potrebi zopet spremeni nazaj v električno.

Gorilna celica pa proizvaja enosmerni tok, ki ga lahko uporabimo za pogon motorjev, luči ali katero koli drugo el. napravo.

Poznamo več vrst gorilnih celic. Delijo se glede na elektrolit, ki ga uporabljajo. Nekatere so bolj uporabne za izdelavo elektrarn druge za mobilne telefone, prenosne računalnike ali pa za poganjanje avtomobilov.

Celice za poganjanje avtomobilov:

Osnovni deli gorilne celice:

Anoda – to je negativni stran GC na kateri se zbirajo elektroni, ki se odcepijo od vodika. Ti elektroni so nato uporabljeni v eksternem krogu, ter opravljajo električno delo. Sestavljena je iz kanalov, da se vodikov plin lahko enakomerno disperziira po katalizatorju.

Katoda – to je pozitivna stran GC.  Tudi ta stran je sestavljena iz kanalov, ki vodijo kisik do površine katalizatorja – elektrolita. Ta stran tudi zbira elektrone, ki so prišli iz eksternega kroga, da se združijo s kisikom in tvorijo vodo.

Elektrolit=proton exchange membrane – To je membrana, ki ne prepušča elektronov. Izgleda približno tako kot kuhinjska krpa.

Katalizator – ta pospešuje reakcijo med hisikom in vodikom. Navadno je to karbonska krpa prevlečena s finim slojem praška platine. Je grob ter porozen, da je kisiku ter vodiku izpostavljena maksimalna površina katalizatorja.

The Chemistry of a Fuel Cell

On the anode side:
2H2 => 4H+ + 4e-

On the cathode side:
O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O

The neto reaction:
2H2 + O2 => 2H2O

S klikom na sliko se vam prikaže animacija delovanja gorilne celice

Vodik z anodne strani s pritiskom potiskamo skozi katalizator – membrano. Ker je ta membrana polprepustna, se vodik deli na 2H+ iona in 2H- elekrona. Elektroni nato potujejo skozi anodo ter naprej v eksterni krog, kjer opravijo delo (poganjajo motor), ter prispejo na katodo.

Med tem s katodne strani potiskamo skozi katalizator kisik O2, ki se razcepi na dva močno negativna iona 2O-.

Ta dva iona privlačita dva H+ iona skozi membrano. Ko se kisikov ion O- združi z vodikovim H+ ter z elektronom H- iz zunanjega kroga, nastaja voda.

Ena GC tvori približno 0.7 Volta. Če vežemo več gorilnih celic skupaj lahko dobimo uporabne napetosti.

Problemi gorilnih celic

Kisik ki je potreben za reakcijo pride iz zraka. Navadno črpamo v katodo kar zrak. Težje pa je priti do vodika. V zraku ga je premalo, da bi ga lahko izločevali. Vodik je tudi težje shranjevati, saj je močno eksploziven. Bilo bi bolje, če bi lahko GC uporabljala goriva, ki so že na voljo. Ta problem rešuje naprava, ki lahko iz alkoholnih goriv izlušči vodik. Tako bi lahko uporabljali metanol, propan… To bi bilo bolje, saj ima že veliko ljudi speljan naravni plin, kot je propan-butan v hišo. Naravni plin je tudi lažje shranjevati ter transportirati.

Drugi tipi gorilnih celic:

Alkalna GC – uporabljana v US vesoljskem programu – uporablja čisti vodik ter čisti kisik

GC ki deluje s fosforno kislino  - uporablja se za manjše agregate

GC na čisti kisik – najbolj so uporabne za velike elektrarne, delujejo na izredno visokih temp, to temperaturo se da naknadno speljati v turbine, da se generira še več el. Energije

Metanolova gorilna celica 

Ta za gorivo potrebuje metanol (poznamo tudi pod imenom metilni alkohol) pomešan z vodo. Metanol je cenovno ugoden, lahko se ga pridobiva iz premoga ali zemeljskega plina in je varen za shranjevanje. Deluje pod vreliščem vode, kar je v primerjavi z drugimi vrstami gorilnih celic, ki delujejo le pri izredno visokih temperaturah (pri katerih se topijo marsikatere kovine), zelo ugodno. Ne proizvaja strupenih snovi, le ogljikov dioksid in vodo. Sistem gorilnih celic je narejen iz takih kovin, ki se jih da po koncu življenjske dobe reciklirati. Metanolova gorilna celica je več kot dvakrat bolj učinkovita kot današnji bencinske motorji. Raziskovalci verjamejo, da jim bo z nadaljnjimi poskusi uspelo učinkovitost. uspelo še povečati za 15%.

 

Poskusna energijska postaj.

Gorilna celica ki deluje s fosforjevo kislino

Gorilna celica, ki deluje s fosforjevo kislino pa že uspešno preizkušajo v raznih javnih ustanovah v ZDA; bolnišnicah, šolah, poslovnih prostorih, letališčih…Elektriko pridobivajo s 40% učinkovitostjo. V prihodnosti bodo te celice verjetno tudi pomagale poganjati avtobuse ter lokomotive.

 

Bolnica z energijsko celico. Ta alternativni vir energije, kljub pomanjkljivostim,  že preizkušajo na posameznih javnih ustanovah. 

Country Hospital Wakefield, ZDA

AVTOMOBILSKA INDUSTRIJA

Najbolj se je te tehnologije oprijela avtomobilska industrija, a ne samo zaradi naraščajočih cen goriv, ampak tudi zaradi vedno ostrejših zakonov o izpušnih plinih.

Avtomobilska industrija vedno bolj približuje točki, ko bo lahko avtomobile na vodik serijsko poslala na cesto.

Mnoge zanima, kako bodo rešili problem točenja goriva. Lahko bi postavili nova postajališča, vendar strokovnjaki menijo, da bi lahko že obstoječa z lahkoto preoblikovali.

*** Daimler Benz je že leta 1994 poslal na cesto prvi avto brez škodljivih emisij. Bil je majhen dostavni avto, do poln aparatov in merilcev. Sedaj gre celoten motor z gorilno celico že v prostor za motor modela razreda A. Daimler je sklenil tudi pogodbo s Fordom (o skupnem razvijanju in prodaji energijskih celic), vredno 725 milijonov ameriških dolarjev.

 

Moderni NECAR.

*** Leta 2004 namerava Mercedes poslati na trg prve avtomobile z gorilnimi celicami. Poganjali jih bodo elektromotorji, ki bodo tok iz celic spreminjali v gibanje. Marca 1999 so že testirali Mercedes razreda A. Motor je bil popolnoma prilagojen potrebam energijskih celic. Po poročanju je bil NECAR za skoraj dvakrat bolj učinkovit kot njegova dizelska različica. Tank s tekočim dušikom dovoljuje 448.000 km brez polnjenja.

*** Honda načrtuje svoj prodor na trg z vozilom na gorilne celice že leta 2003.

*** Opel je na olimpijskih igrah v Sidneyu predstavil vozilo Zafira Hydrogen 1, ki je celo zmagalo na maratonu vozil na alternativni pogon.

*** BMW pravi, da ima avto prihodnosti pravzaprav že serijsko zrel. Še letos naj bi poslali na trg manjšo serijo svojih vozil na vodikov pogon. Precej stavijo na novo tehnologijo povezano s tem izumom. To so dokazali na razstavi EXPO 2000 v Hanoovru, z naslovom Drive Into The Future (Odpeljite se v prihodnost) ter v Nemškem muzeju v Muenchnu, ki nosi ime CleanEnergy (Čista energija).

 

BMW – jev prototip takega vozila (BMW 750 hl)

Na svojih spletnih straneh pa že danes reklamirajo vozilo na čistejši pogon. Poganja ga namreč tako običajno gorivo za današnje avtomobile kot gorivo naše prihodnosti.

*** Po Shellovih napovedih bi moral Daimler – Chrysler že letos narediti prve avtobuse, ki bi jih poganjal vodik. Za masovno proizvodno NECAR avtomobilov pa so si zadali cilj – leto 2004, kot večina drugih avtomobilskih koncernov ( npr. Ford, Toyota, Nissan, Honda).

 

»Električni avtobus.«

*** Prav tako pa za temi giganti prav nič ne zaostajajo ostali proizvajalci avtomobilov. V prednosti so Američani, toda evropski Renault, Peugeot v povezavi s Citroenom ter Volkswagen z Volvom, bistveno ne zaostajajo.

Ko pa bo ta industrija resnično zaživela, bo potrebno postaviti nekakšne vodikove postaje ali preoblikovati že obstoječe, kjer bi imeli dostop za dovod vodika v vozilo, oz. v tank vozila.

Naslednje mesto, kjer bi bile gorilne celice zelo uporabne in koristne so domači energijski sistemi. Sčasoma naj bi ti sistemi postali strah in trepet današnjih proizvajalk energije, saj bi vso potrebno energijo za vodenje domovanja lahko proizvajale gorilne celice same, tako rekoč v naši kleti. Razvoj te tehnologije pa je počasnejši od avtomobilske, ker v projekte ne vlagajo takšnih finančnih sredstev. Uporaba energijskih celic v domovih je ravno tako perspektivna kot v avtomobilski industriji.

   Nissanov prototip avtomobila  prihodnosti.

Kako narediti gorilno celico doma?

www.humboldt1.com/~michael.welch/extras/fuelcell.pdf

 

Matej Cerk, gradb UNI
2001