Gorivna celica je naprava, v kateri dobimo pri oksidaciji običajnega goriva osvobojeno energijo kot električni tok. S tem se izognemo zapravljivemu ovinku običajnih toplotnih strojev preko »manj vredne« toplotne energije. Čeprav je gorivno celico priporočal že W. Ostwald leta 1894, jim je uspelo narediti močnejše celice šele v poslednjih desetih letih. V celici, ki sta jo sestavila Baur in Ehrenberg leta 1811, je gorivo ogljikova palica.
Ta, kot anoda pošilja v raztopino C+4 ione. Potrebna obratovalna temperatura je od 1000 do 1100 °C. Elektrolit je raztaljena soda. Na katodi, raztaljenem srebru, nastajajo iz kisika, ki ga sproti vpihavamo, O'2 ioni. Po enačbi C+4 -b 20 2 = CO, je reakcijski produkt ogljikov dioksid kot pri običajnem gorenju. Vsak porabljeni C atom odda štiri elektrone ogljikovi palici ter odvzame 4 elektrone kisikovi elektrodi. Ti elektroni lahko opravijo delo v zunanjem tokokrogu.
Če je gorivo plin (posebno vodik), so obratovalni pogoji boljši. Z Baconovo H2—O, lahko dosežemo gostoto toka 1 A/cm2 pri temperaturi 240 °C. Vendar naraste pritisk vodnega elektrolita na več kot 70 barov. Dovajalni plin se ionizira na difuzijskih elektrodah iz niklja. To so porozni sintrani materiali, ki so na eni strani v stiku s plinom, na drugi strani pa z elektrolitom. Aktivno področje je meja treh faz: plin, elektroda, elektrolit. Ker mora biti ta meja čim daljša, morajo imeti vse pore isti optimalni presek (princip homeoporoznosti).
Da bi popolnoma preprečili prodiranje neporabljenega plina v elektrolit, ima vsaka elektroda fino porozno zaporno plast (elektroda z dvojno plastjo). Zaradi visoke katalitične dejavnosti uporabljenih elektrod je obratovanje možno že pri sobni temperaturi. Hidrofobnost materiala preprečuje, da bi elektrolit zalil elektrode. Pri sobni temperaturi obratuje tudi H2-02 celica s katalitskimi elektrodami z dvojnim ogrodjem. Vodikove elektrode vsebujejo, kot katalizator Raney nikelj, kisikove elektrode pa Raney-srebro. Celica doseže pri temperaturi pod 100 °C (torej pri atmosferskem tlaku!) skoraj tolikšno gostoto toka kot Baconova celica.
Začetna dosežena napetost znaša več kot 90 % teoretično dosegljive napetosti, ki je 1,23 V.* Katalitske elektrode z dvojnim ogrodjem lahko zaradi visoke katalitične dejavnosti dehidrirajo tekoča organska goriva, na primer metanol. Zato je izdelava celice s tekočim gorivom dokaj preprosta. Gorivo (alkohol) je primešano elektrolitu (kalijevemu hidroksidu).
V nasprotju s tradicionalnimi tehnologijami zgorevanja, ki gorijo gorivo, gorivne celice prehajajo v kemični proces za pretvorbo goriva, bogate z vodikom, v električno energijo. Gorivnih celic ni treba občasno ponovno napolniti, kot so baterije, ampak jih še naprej proizvajajo električno energijo, dokler je zagotovljen vir goriva.
Gorivna celica je sestavljena iz anode, katode in elektrolitske membrane. Gorivne celice delujejo tako, da vodik prenesejo skozi anodo gorivne celice in kisika skozi katodo. Na mestu anode se molekule vodika delijo na elektrone in protone. Protoni potujejo skozi elektrolitsko membrano, medtem ko so elektroni prisiljeni skozi vezje, ki ustvarja električni tok in presežek toplote. Na katodi se protoni, elektroni in kisik združujejo za proizvodnjo molekul vode.
Zaradi visoke učinkovitosti so gorivne celice zelo čiste, njihovi edini stranski proizvodi pa so električna energija, presežna toplota in voda. Poleg tega, ker gorivne celice nimajo gibljivih delov, delujejo skoraj tiho.
Gorivne celice so tudi prilagodljive. To pomeni, da se posamezne gorivne celice lahko zbirajo drug na drugega, da se oblikujejo nizi, nato pa se ti kupci lahko kombinirajo v večje sisteme. Sistemi gorivnih celic se močno razlikujejo po velikosti in moči, od prenosnih sistemov za polnjenje akumulatorja pametnih telefonov, do zamenjave motorjev z notranjim zgorevanjem za električna vozila, do velikih naprav z več Mega Watti, ki neposredno napajajo električno omrežje.
Spodaj so navedene nekatere izmed najpogosteje uporabljenih gorivnih celic in značilnosti, ki jih naredijo edinstvene.
Protonska izmenična membranska gorivna celica
Protonske izmenične membranske gorivne celice (PEMFC) uporabljajo polimerno membrano za svoj elektrolit in plemenito kovino, navadno platino, za svoj katalizator. Kar razlikuje te gorivne celice od drugih, je sposobnost PEMFC, da deluje pri hladnejših temperaturah v primerjavi z drugimi vrstami gorivnih celic, med 80 in 200 stopinjami Fahrenheita. Čisti plin iz vodika je tipično gorivo za PEMFC-je, zaradi njihove uporabe plemenitih kovin in nižjih obratovalnih temperatur.
PEMFC-ji delujejo med 40 % do 60 % učinkovitosti in so sposobni ravnati z velikimi in nenadnimi premiki v moči. PEMFC-ji so primerni za avtomobile in druga posebna vozila, kot so viličarji, ki jih je treba hitro zagnati ali pospešiti. Poleg tega je mogoče PEMFC naprave za stacionarne namenske programe v telekomunikacijah, podatkovnih središčih in stanovanjskih trgih.
Čeprav jedrska energija predstavlja 15 do 20 % električne energije, proizvedene po vsem svetu, ima številne prednosti, kot so čista energija, visoke količine, visoke rezervne količine, zanesljivost, nizki obratovalni stroški, nizki odpadki in cenejša alternativa. Začetni stroški jedrske elektrarne so lahko izjemno visoki in lahko gradnja in zagon trajata kar nekaj let, bo prebivalstvo zanesljivo prišlo do poceni električne energije za desetletja.
I.K.
