Горивне ћелије

Тоyота ФЦХВ – хибридно возило са са погоном који користи горивне ћелије

Горивне ћелије су галванске ћелије које производе електричну енергију из енергије која се ослобађа хемијском реакцијом горива које се континуално доводи са оксидационим средством. Обично се под овим појмом подразумевају водонично-кисеоничне горивне ћелије.

Принцип рада

Трансформација хемијске енергије у електричну у великој већини случајева се врши посредно - преко механичке енергије: мотор претвара хемијску енергију горива ослобођену његовим сагоревањем у механичку енергију, која се у електричним генераторима претвара у електричну.

Горивне ћелије електричну енергију производе непосредно и стога би требало да буду ефикасније, једноставније и поузданије. За сада, њихову употребу спречавају техничке препреке.

Данас се наде полажу у водонично-кисеоничне горивне ћелије, које би се користиле за погон аутомобила (тачније њихових електромотора). Водоник потребан за процес се мора произвести (нпр. електролизом воде) и довести до ћелија, док се потребан кисеоник може 'узимати' непосредно из атмосфере. Складиштење водоника је за сада највећи проблем, с обзиром на то да је водоник у смеси са ваздухом веома експлозиван, а и масе резервоара су проблематичне. Степен искоришћења целог циклуса (струја → водоник → струја) је око 30-40% (код ото мотора – 18%).

Тренутно се горивне ћелије већ користе на ракетним космичким летелицама и подморницама.

Структура

Горивна ћелија састоји се од две електроде, које су одвојене мембраном или електролитом. На аноду се доводи гориво (нпр. водоник, метан, метанол, сирћетна киселина, раствор глукозе), и оно ту оксидује. На катоду се доводи оксидационо средство (нпр. кисеоник, водоник пероксид, ...), које се ту редукује.

Електроде су обично направљене од различитих метала, или могу бити угљеничне наноцевчице. Могу бити и пресвучене катализатором (нпр. платином или паладијумом), чиме се постиже већа ефикасност. Данас се обично користе електроде са количином катализатора 5g/m².

Као електролит могу послужити разне киселине (претежно H₃PO₄) или базе (најчешће KOH), керамички материјали или мембране. У специфичним горивним ћелијама као електролит се користи гас под високим притиском. Данас се као електролит највише користи KOH, који се користио већ у ћелијама пројекта Аполо, а чија је мана да оксиданс мора да се чисти од CO₂, јер би иначе долазило до реакције CO₂ са електролитом и настало једињење би престало да врши функцију електролита.

Електрични напон који настаје је теоретски око 1.23 волта а зависи од врсте горива и квалитета ћелије. Код ћелија које се данас највише користе, напон је обично око 0.95 V. Да би се добио већи напон, неколико ћелија се везује у серију.

Реакција

Шематски приказ процеса у горивној ћелији

Гориво (нпр. водоник) се на аноди каталитички трансформише у катјоне (у случају водоника јоне H⁺). Ослобођене електроне привлачи анода и ствара електричну струју, која преко електро потрошача тече ка катоди. На катоди се оксидационо средство (већином кисеоник) редукује у ањоне (O^2-), а они онда реагују са H⁺ јонима, стварајући воду.

Хемијска једначина:

$Anoda:2H_{2}\to 4H^{+}+4e^{-}$

Оксидација / ослобађање електрона:

$Katoda:O_{2}+4e^{-}\to 2O^{2-}$

$2.krak:2O^{2-}+4H^{+}\to 2H_{2}O$

Редукција / прихватање електрона:

$Ukupno:2H_{2}+O_{2}\to 2H_{2}O$

оксидо-редукциона реакција.

Литература

• Vielstich, W., et al. (eds.) (2009). Handbook of fuel cells: advances in electrocatalysis, materials, diagnostics and durability. 6 vol. Hoboken: Wiley, 2009.
• Грегор Хоогерс (2003). Фуел Целл Тецхнологy – Ханд Боок. ЦРЦ Пресс. 
• Јамес Ларминие анд Андреw Дицкс (2003). Фуел Целл Сyстемс Еxплаинед, 2нд Едитион. Јохн Wилеy анд Сонс. 
• Хигх Температуре Солид Оxиде Фуел Целлс-Фундаменталс, Десигн анд Апплицатионс. Елсевиер. 2003. 
• Франо Барбир (2005). ПЕМ Фуел Целлс-Тхеорy анд Працтице. Елсевиер Ацадемиц Пресс. 
• ЕГ&Г Тецхницал Сервицес, Инц. (2004). Фуел Целл Тецхнологy-Ханд боок, 7тх Едитион. У.С. Департмент оф Енергy. 
• Менцх, Маттхеw M. (2008). Фуел Целл Енгинес. Јохн Wилеy & Сонс, Инц. 
• Кхурми Р.С. Материал Сциенце.