Gorivne celice

1. Gorivnecelice Energija prihodnosti Mentor: dr. Janez Stepišnik Predmet: Fizika energijskih virov Avtor: Simon Jazbec

2. Program predstavitve • Predstavitev osnovnih pojmov (osnovna “definicija”, katalizator, tvorbena entalpija, prosta energija, smer kemijske reakcije) • Termodinamska obravnava (elektroliza vode, obratna elektroliza) • Gorivna celica (kratka zgodovina, osnovna zgradba in principi delovanja, reformator goriva, izkoristek) • Vrste gorivnih celic (PEMFC, PAFC, AFC, MCFC, SOFC, DMFC, RFC, ZAFC, PCFC) • Uporaba gorivnih celic • Bencinsko osebnovozilo vs. hibridno (izkoristki, težave) • Zaključek

3. Osnovna “definicija” • “Gorivna celica je elektrokemični pretvornik, katerega naloga je proizvodnja električne energije iz kemične energije goriva in oksidanta” • Najpogostejše gorivo je vodik in najpogostejši oksidant kisik • Deluje na principu “inverzne elektrolize” • Analogno delovanje klasični bateriji (termodinamsko zaprtsistem, GCtermodinamsko odprt sistem)

4. Osnovna definicija širše • Gorvinacelica je elektrokemičnipretvornik, katereganaloga je proizvodnjaelektričneenergijeizkemičneenergijegoriva in oksidanta. Celica delujedoklerimazagotovljenzadostenpritokgoriva (vodikali z vodikombogatasnov, kot je recimozemeljskiplin, alkoholi in razninaftniderivati)in oksidanta (kisik, zrak, klor, klorovdioksid), odtokreakcijskihproduktov in zadostnokoličinoelektrolitaznotrajcelice. Zauspešnodelovanjecelice je potrebnozadostitišeštevilnimdrugimdejavnikom, kot so primernadelovnatemperaturacelice, hidracija membrane ipd. • Gorivne celice so po zgradbi in principu delovanja zelo podobne klasičnim baterijam. Tako baterije kot gorivne celice imajo pozitivno nabito anodo, negativno nabito katodo in materijal, ki prevaja ione z imenom elektrolit. Ločimo številne vrste gorivnih celi, ki se med seboj razlikujejo predvsem po vrsti oz. obliki elektrolita, ki ga uporabljajo. Konvencionalne baterijeenergijopridobivajonaračunrazličnihpotencialovelektronov v kovinah. Bistvena razlika med baterijami in gorivnimi celicami je, da pri gorivnih celicah gorivo in ostale potrebne snovi dotekajo iz zunanjih virov. Iz termodinamskega stališča lahko torej govorimo o odprtih sistemih. Pri klasičnih baterijah pa imamo zaprt sistem, saj imamo omejeno v naprej določeno količino goriva oz. samih reaktantov znotraj sistema. Pri baterijah pa je to nekoliko drugače saj je ob izpraznitvi baterijo potrebno popolno napolniti.

5. Osnovna definicija širše • V teorijipraktičnaizvedbagorivnecelicaizgledanekakotako, daimamodveshranjevalnikomori v katerih se nahajataelementarnivodik oz. kisik. Samohranjenjevodika je dokajzahteventehnološkipostopekpredvsemzaradi same tehničneizvedbetervarnosti, ki je potrebnaprishranjevanjueksplozivnihplinov. V praksi se zatodostikratrajeuporabljajo z vodikombogatagoriva, ki so primernejša, enostavnejša in predvsemvarnejšazahranjenje. Večinagorivnihcelickotgorivopotrebujeelementarnivodik oz. vodik z zelomaloprimesmi, zato je izostalihvrstgorivavodikpotrebnoizločiti. Privečinicelic, kidelujejoprinižjihtemperaturah (izjema k temu je le celica DMFC) to nalogoopravljasekundarnanaprava, kijoimenujemoreformatorgoriva oz. tudigorivniprocesor. Pricelicah, kidelujejoprivišjihtemperaturah, pa taprocespotekasamodejno, brezsekundarnihnaprav.

6. reaktanti produkti “koordinate” reakcije Entalpija sproščena priP,T=konst Katalizator in etalpija • Katalizator je snov, kipospešujeoziromainhibirareakcijo. V samoreakcijo ne vstopa, karpomenidagaimamonazačetku in koncukemijskereakcijeenakokoličino in v enakemstanju. To sevedanipopolnomanatančnaizjavasajkatalizator v samoreakcijovstopa, vendar se prisamireakciji ne porabi. Njegovanaloga je nižanjeenergijskebariere, kijomorajoreaktantipreseči, dalahkoreakcijauspešnopoteče. • Sprememba entalpija je merilo za sprembo notranje energije in opravljenegadelapri konstantnem volumnu

7. Procesi pri konst. T in p • Vpeljemo funkcijo G (prosta entalpija) • Smer reakcije pri konst. T in p je določena na podlagi načela minimalne proste entalpije.

8. Elektroliza • Elektroliza je elektrokemičniprocesprikaterem se s pomočjoplatinastihelektrod, kistapriključeninavirnapetosti, izvodeizločataelementarnivodik in kisik. • Spremembaprosteentalpije, ki je merilozadovedenozunanjedelo (električno), nakmolvodeznaša 237.13J. Spremembaentalpijenakmolvode pa znaša 286.83J. Energijskarazlika pride v oblikitoploteizokolice.

9. Elektroliza

10. H2(g) + ½O2(g) H2O(l) Inverzna elektroliza • Reakcija: • Termodinamske lastnosti reaktantov in produktov pri p = 1atm in T=298K H2 O2 H2O (l) Entalpija (H) 0 0 -285.83 kJ/mol 130.68 J/mol·K 205.14 J/mol·K 69.91 J/mol·K Entropija (S) -38.9 kJ/mol -30.6kJ/mol -306.2 kJ/mol Prosta entalpija(G)

11. V - + I I H2 O2 Termodinamike elektrolize • Platinaste elektrode in koncentrirana žveplova(V) kislina • Opravljeno zunanje delo

12. Termodinamike elektrolize • Ostale količine

13. Termodinamike elektrolize • Najmanjša napetost za disociacijo vode • Predstavljanamminimalnonapetost, kijomoramopriklju;itinaelektrode, daelektrolizapoteče I Gorilna celica Elektroliza V V0

14. Zgodovina gorivnih celic • 1838 C.F. Schönbein (izumljen in v znanstveni revijiobjavljen prvi koncept gorivne celice) • 1839 Sir William Grove (demonstracija prve gorivne celice) • 1955 Thomas Grubb & Niedrach (Grubb-Niedrach gorivna celica – izpopolnjeno delovanje) • 1959 Francis Thomas Bacon (prve komercialne izvedbe gorivnih celic) • 1960-1970 Prat & Whitney (patentirata in izumljata gorivne celice za NASA, ki se kasneje uporabijo v vesoljskih programih – Gemini, Apollo) • UTC Power (podjetje, ki razvija gorivne celice tako za komercialno rabo kot za vesoljski program Space Shuttel)

15. Zgodovina gorivnih celic • Principgorivnecelice je leta 1838 iznašelnemškiznanstvenik Christian Friedrich Schönbein in rezultateobjavil v eniizmedznanstvenihrevijtistegačasa. Na podlaginjegoveobjave je leta 1839 Sir William Grove v februarskištevilkirevije Philosophical Magazine and Journal of Science demonstriralprvogorivnocelico. Njegovagorivnacelica je bilanarejenaizpodobnihmaterijalovkot so današnjefosforno-kislinskegorivnecelice. • Leta 1955 je kemik W. Thomas Grub, ki je delalzainstitut pod okriljem General Electric Company, modificiraloriginalninačrt, takoda je dodalpožveplanopolistirenskoionskoizmenjevalnomembrano v vlogielektrolita. Tri letakasneje pa je kemik Leonard Niedrach, pravtakoizzgorajomenjenegainstituta, iznašelnačindeponiranjaplatinenamembrano, ki je služilakotkatalizatorzavodikovooksidacijsko in kisikovoredukcijskoreakcijo. Ta tip gorivnecelice je postal znan pod imenom Grubb-Niedrachgorivnacelica. Podjetje GEC je natonadaljevalorazvojcelicskupaj z vesoljskoagencijo NASA in podjetjem McDonnell Aircraft kar je pripeljalo do uporabegorivnihcelicpriprojektu Gemini.

16. Zgodovina gorivnih celic • Gorivnecelice so postalezanimivezaširšojavnostšeleleta 1959, ko je britanskiinžinir Francis Thomas Bacon uspešnorazvil 5kW stacionarnogorivnocelico. Kasnejeistegaleta je ekipa pod vodstvomHarryjaIhrigasestavila 15kW traktornagorivnocelico, ki so gademonstriralinasejmihpo ZDA. Sistem je uporabljalNaOHkotelektrolitterstisnjenvodik in kisikkotreaktanta. Kasnejeleta 1959 je Bacon s kolegidemonstriraltudi 5kW močnoenoto, ki je bilasposobnapoganjativarilniaparat. V šestedesetihletih je Prattu in WhitneyuuspeloregistriratiBaconovepatentezauporabo v ameriškemvesoljskemprogramu. Gorivnecelice so se takopojavile v večinivesoljskihmisij, saj so naraketoplanihproizvajaleelektričnoenergijo in pitnovodo (goriva v oblikivodika in kisika je naraketahponavadidovolj, sajjuuporabljajokotgorivotudipogonskimotorji). • UTC Power je biloprvopodjetje, ki je pričeloproizvodnjokomercialnihstacionarnihgorivnihcelic. Sistemi so se pričeliuporabljatikotdodatni oz. rezervnigeneratorjielektričneenergije v bolnicah, nauniverzah in v velikihposlovnihstavbah. UTC Power ševednoprodajaomenjenerazličicegorivnihcelic pod znamkamiPureCell 200. Greza 200kW sistem, kigaboleta 2009 zamenjala 400kW različica. UTC Power je trenutnoedinidobaviteljgorivnihcelicza NASO. Slednja je, kot je biloomenjenozgoraj, pričela z njihovouporabonavečinivesoljskihmisij, vseodApollovihmisij pa do novejšihprojektov v Space Shuttle programu. UTC Power pravtakorazvijacelicezaavtomobile, avtobuse in zaradijskeoddajnike. Med drugim so tudiprvipredstaviligorivnocelico, ki je sposobnadelovati pod temperaturoledišča (tip gorivnecelicenati. protonskoizmenjevalnomembrano).

17. Zgodovina gorivnih celic • Pratt in Whitney med razvijanjem AFC za program Apollo (desno) in skicaWilliamaGrovaizleta1843 (levo)

18. Osnovna zgradba in delovanje • Vodikvodimonaanodo, kjer ob prisotnostikatalizatorjarazpadenavodikoveione (protone) in naelektrone. Slednjipotujejo v oblikielektričnegatokaprekozunanjengatokokrogaprotipozitivnikatodi. To je tudielektričnaenergija, kijoprisamicelicikoristimo. Na katododovajamokisik. Protoni, kidifundirajoskozimembrano (elektrolit) k katodi, se nakoncurekombinirajo z elektroni in kisikom, takodadobimovodo.

19. Osnovna zgradba in delovanje Kemijske reakcije v gorivni celici: anoda: 2H2 => 4H+ + 4e-katoda: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2Oreakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

20. Osnovna zgradba in delovanje

21. Reformator goriva • Nizkotemperaturnegorivnecelicezadelovanjekotgorivopotrebujejoelementarenvodik. Slednji se naZemlji ne pojavljanaravnozatonjegovopridobivanjepotrebujedokajtežavnetehnološkepostopke. Visokotemperaturnegorivnecelice pa lahkouporabljajotudivodikovagoriva z primesmi. Ta nastanejoizdrugih z vodikombogatihvirovkot so razniogljikovodiki in alkoholi. Naprava, kitransformiraomenjena z vodikombogatagoriva v vodik, se imenujereformatorgoriva. Pridobivanjevodikaizmetanapotekapri 760ºC in se imenujeparnareformacija. Kemijskaenačbaprocesa je sledeča: • Reformatorji se razlikujejotudipokoličinipredelanegagoriva. Masovnireformatorji so ponavadi v oblikivečjihtovarniškihobratovkaterihnaloga je proizvodnjavodika. Slednjegakasnejedostavijouporabnikom v elementarnioblikibodisi v tekočemstanjuali pa pod visokimpritiskom v plinastemstanju. Lahko se uporabljajotudireformatorjinasrednjemnivoju. Ti proizvajajovodikovplin z ostalimiprimesmi, kot so CO2 in N2. Uporabnikom se dostavi v plinastemstanju. Obstajajo pa tudimanjšireformatorji, kisprotitransformirajogorivo, kot so recimorazninaftniderivati, takodazadostijotrenutnimpotrebamgorivnecelice. Ta tip reformatorjev se uporabljapredvsem v manjšihvozilih, kidelujejonagorivnecelice. • Dolgoročno je sevedanajboljsmiselnaproizvodnjavodikanapodlagiobnovljivihvirovenergije (sončna, veterna in hidroenergija), saj le takodosežemoželjeneokoljuprijaznepostopkecelokupneuporabegorivnihcelic. • Zgled: reakcija pridobivanja vodika iz metana pritemperaturiT = 760C: CH4(g)+ 2 H2O(l) => CO2(g)+ 4 H2(g)

22. Izkoristek gorivne celice • Vsimotorjinanotranjeizgorevanje, termoelektrarne, jedrskeelektrarneipd., proizvajajoenergijoposrednoprekotoplote, kijonatopretvorijo v električno oz. mehanskoenergijo. Sam izkoristektehstrojev je omejen z entropijskimzakonom. V idelaniCarnotovikrožnispremembiizkoristektoplotnegastroja ne more presečivrednosti 1-T2/T1, kjer je T2/T1 razmerje med izhodno in vhodnotemperaturo. Gorivnecelice pa ne delujejokottoplotnistroji, sajelektričnoenergijoproizvajajoneposrednoprekokemičnereakcije. Vendarkljubdejstvu, danisoneposrednopodvrženeentropijskemuzakonu, je izkoristekomejenravnonaračuntoplote. Izkoristekidealnegorivneceliceznašatakonekako 83%. Realniizkoristki pa se gibljejo med 30% in 60%. Če pa uspemoizkoristititudinastalotoploto, kinastaneprirekombinacijiprotonov, elektronov in kisika, pa celokupniizkoristkidosežejovrednosti do 85%, kar je sevedamnogovečkottrenutnodosežejonajboljšibencinskimotorji, kiimajoizkoristkeslabih 30%. • Izkoristek idealne gorilne celice (vodik - kisik) je razmerje spremembe proste entalpije in spremembe notranje energije: (237 kJ / 286 kJ)x100% = 83%!

23. Izkoristek gorivne celice • Tipičnevrednostinapetosti, kijogorivnacelicaproizvede so nekako med 0.6V in 0.7V. Napetost pa z večanjemelektričnegatokapada. Torej je samizkoristekcelicezeloodvisenodbremena, ki je nacelicopriključen. Vzrokizaomenjenipojav so sledeči: • Aktivacijskeizgube (izgubepridoseganjudelovne temperature) • Ohmskeizgube (neizogibnepriboljalimanjkateremukolivezju) • Izgubezaradimasovnegatransporta (reaktantiprivelikihtokovih ne pridejo v stik s katalizatorjem in zapustijocelico) • Dasistemlahkoproizvedezaželjenomočlahkovečgorivnihceliczdružimo v ti. skupke. Čeželimovišjonapetost, jihvežemozaporedno, če pa želimovišjetokove, jihvežemovzporedno. Pravtakolahkovečamoreakcijskopovršinoposameznihcelic, dadosežemovečjetokove. Zapovezave med takovezanimigorivnimielementi se uporabijoti. bipolarneplošče. Slednje so izpostavljenetakooksidaciji in redukciji, sajpovezujeobestranigorivnegaelementa. Glavni problem zatonastanestabilnost in vzdržljivostbipolarnihplošč. Kovinskeploščetakopoškodujeproceskorozije, prikateremnastanejoželezovi in kromoviioni, kioslabijolahkoefektivnostmembran in elektrod. V nizkotemperaturnihgorivnihcelicah se uporabljajolahkekovine, grafit in razniogljikovikompozitikotbipolarnimaterjali. Slednji so manjobčutljivinasamprocesekorozije.

24. Gorivnacelicanaprotonskoizmenjevalnomembrano(PEMFC) Anodnareakcija4H2(g)=> 4H+(aq) + 4e- Katodnareakcija:O2(g) + 4H+(aq) + 4e- => 2H2O(l) Skupnareakcija:2H2(g) + O2(g) => 2H2O(l)

25. Gorivnacelicanaprotonskoizmenjevalnomembrano(PEMFC) • Elektrolit: PEM • Katalizator : Pt • Gorivo: elementarni vodik (H2) • Delovna temperatura: 80C • Izkoristek : 40%-50% • Moč: 50kW -250kW • Hitro prilagajanje (najprimernejše za uporabo v vozilih) • Visoka energijska gostota • Visoka cena (drag katalizator) • Zastrupitve z ogljikovim monoksidom • Trden elektrolit (potrebna je zadostna hidracija)

26. Gorivnacelicanaprotonskoizmenjevalnomembrano(PEMFC) • PEMFC veljajozaidealnegorivnecelicenamenjenezavozila. Prvič so bile uporabljene v šestdesetihletihprejšnegastoletja v vesoljskihprogramih NASA. Te celicedelujejoprirelativnonizkihtemperaturah, približno 80ºC, in imajovisokoenergijskogostoto. Pravtakolahkohitrospreminjajovelikostenergije, kijoproizvedejo, in se takohitroprilagajajoporabnikom. Izmedvsehtipovgorivnihcelic so zatonajprimernejšezauporabo v vozilih. Slednjanamrečpotrebujejohitrespremembeenergije, šeposebnoprivžigumotorja. Veljajonekakozanajbolšekandidatezauporabonapodročjihvseodosebnihvozil, manjšihzgradb pa do prenosnihbaterij. Kotgorivo se uporabljazeločistaoblikavodika, primesinamrečzmanjšujejoizkoristekterpoškodujejokatalizator in membrano. Kisik je nekolikomanjproblematičen, sajgalahko med drugimlahkodobimoneposrednoizzraka. Nekajnevšečnosti pa povzročaprevelikaalipremajhnavlažnost. Vodikvodimonaanodo, kjer ob prisotnostikatalizatorjarazpadenavodikoveione (protone) in naelektrone. Slednjipotujejo v oblikielektričnegatokaprekozunanjengatokokrogaprotipozitivnikatodi. To je tudielektričnaenergija, kijoprisamicelicikoristimo. Na katododovajamokisik. Protoni, kidifundirajoskozimembrano (elektrolit) k katodi, se nakoncurekombinirajo z elektroni in kisikom, takodadobimovodo. Tovrstneceliceproizvedejomočinekako med 50kW in 250kW.

27. Gorivnacelicanaprotonskoizmenjevalnomembrano(PEMFC) • Anoda je negativni del gorivnecelice. Osnovnanaloga je proizvodnja in prevajanjeelektronov, kinastanejoprirazbitjuatomovvodika, v zunanjitokokrog. Anodaimavgrajeneposebnekanale, kienakomernorazporedijovodikovplinpopovršinikatalizatorja. • Katoda je pozitivni del gorivnecelice, kiimatakokotanodavgrajenekanale, kienakomernoporazdelijokisikpopovršinikatalizatorja. Pravtakoprivlačielektroneizzunanjegavezjanazaj v samocelico, kjer se rekombinirajoskupaj z protoni (vodikoviioni) in kisikom, takodatvorijovodo. • Elektrolitpredstavljaprotonskaizmenjevalnamembrana (proton exchange membrane). PEM je trdenorganskipolimer: poli-perfluorožveplovakislina, kiprevaja oz. prepušča le pozitivneionevodika (protone), elektronov pa ne prepušča. Za PEMFC morabitimembranavesčasnavlažena (hidrirana), dalahkofunkcionira in ostanestabilna. Trdenelektrolitpredstavljavelikoprednostsajzmanjšujemožnostzakorozijo in poenostavisamovzdrževanje. • Katalizator je posebnavrstamateriala, kiomogočarazpadvodikovihatomovnaprotone in elektrone. Običajno je narejenizplemenitihkovin, največkratplatinenanešenenatanekogljikovlistič. Površinakatalizatorja je največkratdodatnonagubana in porozna, takodaimačimvečjopovršino, ki je v stiku z vodikom oz. kisikom. Površinaprevlečena z platino je obrnjenaprotimembrani.

28. Fosforno-kislinske gorivne celice (PAFC) Anodnareakcija4H2(g)=> 4H+(aq) + 4e- Katodnareakcija:O2(g) + 4H+(aq) + 4e- => 2H2O(l) Skupnareakcija:2H2(g) + O2(g) + CO2(g)=> 2H2O(l) + CO2(g)

29. Fosforno-kislinske gorivne celice (PAFC) • Elektrolit: H3PO4 (membranaSiC) • Katalizator : Pt • Gorivo: vodikova gorivasprimesmi • Delovna temperatura: 150C – 200C • Izkoristek : >40% (kogenerativni: 85%) • Moč: 200kW - 1MW • Komercialnonajboljdostopna • Zelo dovršena tehnologija • Visoka cena in stroški vzdrževanja • Korozivenelektrolit • Uporaba goriv s primesmi

30. Fosforno-kislinske gorivne celice (PAFC) • To je danesenaizmedkomercialnonajboljdostopnihgorivnihcelic. Izdelali so žepreko 200 sistemov, kikotvirenergijeuporabljajoprav PACF. Uporabljalo se vseodbolnic, domovzaostarele, hotelov, poslovnihstavb, šolah, manjšihprenosnihelektrarnah, letališkihterminalih in raznihzbiralnikihodpadnihmaterijalov. Pravtako so tudiprvagorivnacelica, ki je bilanavoljozakomercialnouporabo. Celice so bile vseodleta 1960, ko so se prvičpojavile, zelododelane in izpopolnjenenapodročjustabilnosti, moči, izkoristka in cene. Izkoristek PACF gorivnihcelicpresega 40%. Pravtakoomenjenisistemiizkoristijotudi do 85% vodne pare, kinastanepridelovanjusamihcelicti. cogenerativniizkoristek. Delovne temperature so nekje med 150 ºC in 200 ºC, saj je prinižjihtemperaturahžveplenakislinazelo slab prevajalecionov. Pravtakolahkohitro pride do ti. zastrupitveplatinastegakatalizatorja z ogljikovimmonoksidom (ti. carbon monoxide poisoning). Elektrolit je tekočafosforjeva(V) kislina (H3PO4 - skoraj 100% koncentracija), ki je vpita v matrico – membranoizsilicijevegakarbida. Enaizmedglavnihprednosti PAFC, polegdobregaklasičnega in kogenerativnegaizkoristka, je dalahkozagorivoizkoristijotudivodik z večjokoličinoprimesi. Tolerirajolahkokoncetracijoprimesiogljikovegamonoksidanekje do 1.5%, karzelopoenostavipreskrbo z gorivom. So tudieneredkihcelic, kipriuporabibencina oz. kakihdrugihnaftnihderivatov, nimamoprevelikihtežav z vsebnostjožveplo. Glavnapomankljivost PACF je dejstvo, dauporabljaplatino, zelodragokovino, kotkatalizator. Samacelica je tudinekolikotežja in večjaposamizgradbi. Na koncu je potrebnopoudariti, da so PACF najboljdovršen tip gorivnihcelic, ki so daneskomercialnonavoljo. Obstoječe PACF, kijihproizvaja UTC FC, imajomočinekjeod 200kW do 1MW.

31. Alkalijskegorivnecelice(AFC) Anodnareakcija2H2(g)+4(OH)-(aq) => 4H2O(l) + 4e- Katodnareakcija:O2(g) + 2H2O(l) + 4e- => 4(OH)-(aq) Skupnareakcija:2H2(g) + O2(g) => 2H2O(l)

32. Alkalijskegorivnecelice(AFC) • Elektrolit: KOH (matrika) • Katalizator : Pt • Gorivo: elementarni vodik (H2) • Delovna temperatura: 150C – 200C (23C – 70C) • Izkoristek : 70% • Moč: 300W -5kW • Komercialnonajboljdostopna • Najvišji direktni izkoristek • Reakcije potekajo zelo hitro • Visoka cena in stroški vzdrževanja • Uporaba v vesoljskih programih za proizvodnjo vode in elektrike na raketoplanih

33. Alkalijskegorivnecelice(AFC) • Tovrstnecelice je dolgouporabljala NASA nasvojihvesoljskihmisijah, zato so dalečnajboljizpopolnjenavrstagorivnihcelic. Te celicelahkodosežejoizkoristeknekako do 70%. Uporabljali so jihpri Apollo programu, kjer so navesoljskihplovilihproizvajaleelektričnoenergijo in pitno vodo. Delujejo pri temperaturah med 150ºC in 200ºC, novejše pa vse od sobnih temperatur (23ºC) pa nekje do 70ºC. Uporabljajo vodno raztopino kalijevega hidroksida (KOH), ki je vpit v matriko kot elektrolita. To predstavlja prednost, saj je katodna reakcija posledično hitrejša, kar pa pomeni bolšo zmogljivost in izkoristek. Matrica prepušča hidroksilne ione (to so tudi nosilci naboje, ki se gibljejo preko matrice k anodni strani). Do sedaj so bile nekako predrage za komercialno uporabo, vendar se danes veliko podjetij ukvarja z raznimi izboljšavami, ki bi pocenile samo proizvodnjo. Proizvajajo moči so nekako med 300W in 5kW. Celice so tudi zelo občutljive na vsebnost ogljikovega dioksida, metana in vodne pare, zato se kot oksidant ne sme uporabljati zrak, temveč elementarni kisik.

34. Gorivnacelicanaraztaljeniogljik(MCFC) Anodnareakcija2H2(g) + 2(CO3)2-(g) => 2H2O(g) + 2CO2(g) + 4e- Katodnareakcija:O2(g) + 2CO2(g) + 4e- => 2(CO3)2-(g) Skupnareakcija:2H2(g) + O2(g) + 2CO2(g) => 2H2O(l) + 2CO2(g)

35. Gorivnacelicanaraztaljeniogljik(MCFC) • Elektrolit: raztaljeni Na, Li, K karbonati (Li-Al oksid) • Katalizator : / • Gorivo: z vodikom bogata goriva • Delovna temperatura: 650C • Izkoristek : 60% (85%) • Moč: 10kW -2MW • Širok spekter goriva • Katalizator ni potreben • Visok izkoristek • Nižja cena proizvodnje • Visoka T zmanjša življensko dobo elementov • Koroziven elektrolit • Velika proizvedena moč (elektrarne na stacionarne gorivne celice)

36. Gorivnacelicanaraztaljeniogljik(MCFC) • Ta tip celicekotelektrolituporabljazmesstaljenihkarbonatnih soli kot so litijevi in natrijevikarbonati oz. litijevi in kalijevikarbonati. Elektrolit je prekrit z poroznimlitij-aluminijevemoksidom. Veljajozacelice z zelovisokimizkoristkom, ki je okoli 60%, če pa upoštevamošekogenerativniizkoristek, pa narastenekjena 85%. Delujejoprizelovisokihtemperaturah, nekjeokoli 650ºC. Takovisokadelovnatemperatura je nujna, sajpotrebujemozadostnoionskoprevodnostelektrolita. Ker delujejopritakovisokihtemperaturah, nipotrebnouporabljatižlahtnihkovinzakatalizatorje, sajoksidacija in redukcijapotekataelektrokemično. Celica pravtako ne potrebujejoreformatorjevgoriva, sajlahkopritakovisokihtemperaturahdirektnokoristijo z vodikombogateplinekot so recimometan. Trenutno MCFC delujejonavodiku, ogljikovemmonoksidu, metanu, propanu in določenimvrstamdizla. Danes izdelujejo MCFC z močminekako med 10kW in 2MW in se uporabljajopredvsemkotstacionarnivirielektričneenergije (Japonska, Italija). Glavneprednostitovrstnihgorivnihcelic, ki so posledicavisokihdelovnihtemperatur, so visokizkoristek, neobčutljivostnavrstogoriva in nobenihproizvodnihstroškov s sicerdragimikatalizatorji, saj se cepitveogljikovihvezidogajajozelohitro in samodejno. Visokatemperatura pa imatudislabestrani, pospešinamrečkorozijo in tudihitrejedotrajaposamičnekomponente.

37. Trdnooksidnegorivnecelice(SOFC) Anodnareakcija2H2(g) + 2O2(g) => 2H2O(g) + 4e- Katodnareakcija:O2(g) + 4e- => O2-(g) Skupnareakcija:2H2(g) + O2(g) => 2H2O(l)

38. Trdnooksidnegorivnecelice(SOFC) • Elektrolit: trden (Zr,Y) • Katalizator : / • Gorivo: z vodikom bogato gorivo • Delovna temperatura: 1000C • Izkoristek : 60% (70%) • Moč: 100kW • Širok spekter goriva • Dolg zagon celice • Ne potrebuje katalizatorja (nizki stroški proizvodnje) • Visoka T – visok izkoristek a kratka življenjska doba

39. Trdnooksidnegorivnecelice(SOFC) • Naslednjazeloobetavnagorivnacelica je ti. SOFC. Ta celica se lahkouporabljazazadostitevvisokoenergijskihporabnikov, kot so industrijskiobrati in večnamenskeenergijskepostajezaširšopreskrbo z energijo. Nekaterirazvijalciposkušajoimplementirati SOFC tudi v vozilakotpomožneenergijskepogone (auxiliary power units - APU). SOFC običajnouporabljajotrdenkeramičenmaterijal, kot je recimotrdenzirkonijskupaj z majhnimdeležomitrija, namestotekočegaelektrolita, karomogočadadelovne temperature dosežejo temperature okoli 1000ºC. To predstavljatudivelikoprednostprisamiarhitekturicelice. Izkoristek je podobnokotpri MCFC okoli 60%, če pa upoštevamošekogeneratrivniizkoristek, pa narastenaokoli 70%. Zaradivisokihdelovnihtemperaturlahkotuditecelice same izgorivaizločajovodik. Ioni, kipotujejoizenestranicelicenadrugo (izkatode k anodi) so O2-. Moč, kijodosežejo, se merijonekako v 100kW. Enaizmedprednostitovrstnihcelic je njihovaarhitektura, saj se pojavljajo v zelopraktičnihoblikah, vseoddolgihpaličastih - tubularnihoblik, pa do tankihdiskastihcelic. Paličnegorivneceliceproizvedejonekako 220kW. Japonskatrenutnožeuporabljadve 25kW postaji, 100kW pa trenutnotestirajo v Evropi.

40. Direktnametanolskagorivnacelica(DMFC) • Majhna velikost in nizke delovne T (idealnost za majhne elektronske prenosne naprave) • Delovanje brez reformatorja • Dragi katalizatorji • Relativno nizka faza razvoja • Problematičnost uporabe metanola 2CH3OH(aq) + 2H2O(l) => 2CO2(g) + 12H+(aq) + 12e- Katodnareakcija:12H+(aq) + 12e- + 3O2(g) => 6H2O(l) Skupnareakcija:2CH3OH(aq) + 3O2(g) => 4H2O(l) + 2CO2(g)

41. Direktnametanolskagorivnacelica(DMFC) • DMFC so šele v začetnifazirazvoja in se trenutnotestnouporabljajopredvsemkotenergijskivirizamanjšeprenosneelektronskenaprave, kot so prenosniki in mobilniki. V devetdesetihletih so bile DMFC dokajnepopularnezaradimajhneenergijskegostote in slabegaizkoristka. Vendar so z izboljšavamikatalizatorjevuspelidosečiizkoristkeokoli 40%. Po zgradbi so šenajboljpodobne PEMFC sajobojeuporabljajopolimernoprotonskoprepustnomembranokotelektrolit. Vendar DMFC ne potrebujejogorivnegareformatorja, sajlahko same potegnejovodik it raztopinemetanola. Delujejopritemperaturah med 50ºC in 120ºC. Po zgradbi so tudinekolikomanjšenapramostalimvrstamgorivnihcelic. Tako so nekakonajprimernejšezamanjšeaplikacije, recimozapoganjanjemobilnihtelefonov oz. prenosnikov. Nekolikoboljšiizkoristki se lahkodosežejoprivišjihtemperaturah. Pojavlajo se težavepripreprečevanjudifuzijogorivaskozimembrano. Tovrstnecelice se tudinajvečuporabljajo v vojaškihraziskavah.

42. Regenerativnegorivnecelice • Temelji na obnovljivih virih • Zaprti/zaključeni sistemi • Potrebna je izgradnja zelo kompleksne in drage infrastrukture • Projekt Helios (NASA) – letalo na sončne in gorivne celice • Shranjevalnikienergije (obnovljivi viri proizvajajo energijo v določenih časovnih intervalih, presežek te energije gre v proizvodnjo goriva, ki se ga skozi leto konstanto koristi za proizvodnjo energije z gorivnimi celicami)

43. Regenerativnegorivnecelice • Regenerativnecelice so najboljuporabnezasklenjenezaprtesisteme, kitemeljijonaobnovljivihvirihenergije. Vodorazbijemonavodik in kisik s pomočjoelektrolizealikakšnedrugemetodenaračunsončne, vetrne, geotermalnealivodneenergije. Vodikkotgorivodovedemo v gorivnocelico, kigeneriraelektriko, toploto in vodo. Vodolahkoponovnouporabimo in s tem dosežemosklenjenkrog. Izvedbatakegasistemazahtevadokajzahtevnoinfrastrukturovseodoskrbegorivnihcelic z vodikom, njegovegashranjevanje, postavitvesamihgorivnihcelic in efektivneuporabeobnovljivihvirovenergije. Ta tip celic med drugimzelopospešenoraziskujetudi NASA. Izdelanoimaprototipnoletalopoimenovano Helios, kiletinavišini 30.000m in imaregenerativnisistemgorivnih in soncnihcelic (sončnecelicepoganjajoletalopodnevi, gorivnecelice pa ponoči)

44. Cink-zrakgorivnacelica(ZAFC) • Lastnosti tako gorivnih celic kot klasičnih baterij • Trden elektrolit • Plinska difuzijska membrana • Ustvarjanje električnega potenciala • Napram baterijam so izredno zanesljive in se polnijo veliko hitreje • Cink je ena najpogostejših kovin na Zemlji (velik ekonomski potencial) • Proizvodnja ogljikovega dioksida Anodnareakcija2CH4 (g) + 2H2O(l) => 2CO2(g) + 12H+(aq) + 12e- + 2Zn-(aq) + 2(OH)-(aq) => 2ZnO( aq) + H2(g) + 2e- Katodnareakcija:4H+(aq) + 4e- + 2O2(g) => 2(OH)-(aq) + 2O2(g) + 4H+(aq) + 4e- => 4H2O(l) Skupnareakcija:2CH4 (g) + 4O2(g) => 4H2O(l) + 2CO2(g)

45. Cink-zrakgorivnacelica(ZAFC) • ZAFC imalastnostimarsikatereizmedprejomenjenihgorivnihcelickottudilastnostklasičnihbaterij. V tipični ZAFC imamotrdenkeramičenelektrolit, kiprevajahidroksilneione. Dadosežemodovoljdobroprevajanjeionov, delujecelicapritemperaturi 700ºC. Cinkovaanoda je odkatodeločena z ti. plinskodifuzijskoelektrodot.j. membrano, kiprepuščaatmosferskikisik. Kisik se natopretvori v hidroksilneionetervodo. Hidroksilniioninatopotujejoprekoelektrolita k cinkovianodi. Tukajreagirajo in nastanecinkovoksid. Ta procesustvarielektričnipotencial, karpredstavljavirelektričneenergije. Ta elektro-kemičniproces je zelopodoben PEM gorivnicelici, razlikuje pa se predvsem v načinudovajanjagoriva. Slednji je boljsorodenkonvencionalnimbaterijam.

46. Cink-zrakgorivnacelica(ZAFC) • Podjetje Metallic Power izdeluje model ZACF, kivsebujejozinkov “gorivni tank” in zinkovhladilnik, kiavtomatsko in neslišnoregeneriragorivo. V tem zaprtemkrogu/sistemu, se električnaenergijaproizvaja, ko se zmešatacink in kisik v prisotnostielektrolita (podobnokot PEMFC), pričemerdobimocinkovoksid. Ko je vsogorivoporabljeno, se sistempriklopinaomrežje in proces se obrne, karpovzročinastanekcinkovetablic. Glavnaprednostteganačina je, datrajaomenjeniinverzniproces le nekajminut, takodasamprocespolnenjanivečzamuden, kot je recimopriklasičnihbaterijah. Šeena in verjetnonajvečjaprednost ZAFC naprambaterijam pa je, daimajozelovisokospecifičnoenergijo, karpomenidadelujejoprecejdljekotbaterija z enakomaso. Posledično se je zelorazširilauporaba ZAFC v vozilih, sajlahkotakoopremljenaelektričnavozilapotujejoprecejdlje, pa tudisamopolnjenje je hitro in enostavno. Pravtako je cinkzelopogosta in razširjenakovinananašemplanetu, kar se precejpoznanasamiproizvodnjiceni. Trenutno se z aplikacijamiukvarjapodjetjePowerzincizjužneKalifornije.

47. Protonskakeramičnagorivnacelica(PCFC) • Ta tip gorivnecelicetemeljinakeramičnemelektrolitskemmaterijalu, ki je zelodoberprotonskiprevodnikprivišjihtemperaturah. PCFC imajovseprednostidelovanjaprivisokotemperaturnihgorivnihcelic (700ºC) kot so recimo MCFC in SOFC, hkrati pa izkoriščajoprednostiprevajanjaprotonovkot v PAFC in PEMFC. Visokatemperatura je nujnazadoseganjevisokegaizkoristka z ogljikovodikovimigorivi. Ker PCFC delujejoprivisokihtemperaturahlahkokotgorivouporabljajofosilnagoriva. To eliminiravmesenkorak, produkcijovodikaskozizelo drag in tehnološkozahtevenločevalniproces. Plinastemolekuleogljikovodikovihgoriv se absorbirajonapovršini anode v prisotnostivodne pare, vodikoviatomi pa so istočasnoločeni in absorbirani v elektrolitu. Na žalost pa je ogljikovdioksidedenizmedprimarnihreakcijskihproduktov, kar je nekolikoproblematičnozaradionesnaževanjaokolja. Ker je elektrolit PCFC trden, se membrana ne moraizsušiti, kotrecimo v PEMFC, oz. nimamoraznihtežav z razlitji. Glavnirazvijalectovrstnihgorivnihcelic je ProtoneticInternationa Inc.

48. Uporabagorivnihcelic • Obstajajoštevilnapodročja, kiizkoriščajo oz. bodo v bližnjiprihodnostipričelaizkoriščatigorivnecelice, kotprimarnivirenergije. Največjirazmahbozagotodoživel transport. Trenutno je veszahodnisvet (šeposebno ZDA), odvisenoduvozasurovenafte. Pravtako se same zalogenaftemanjšajo, takodasmoprisiljeniiskatialternativnemožnostipoganjanjastrojev in pridobivanjaenergije. Na tem mestu je potrebnoizpostavititudiekološkividik, saj so gorivnecelicenapramklasičnimnaftnimstrojem in drugimnačinompridobivanjaenergije (sežigsurovin), zeločistatehnologija. Vendaruporabaniomejena le na transport, temvečtudinaostalapodročja, kipotrebujejovireenergije, vseodgospodinjskihpripomočkov, računalnišketehnologije, oskrbe z energijo, telekomunikacije, detektorjev, elektronskihpripomočkov pa do uporabe v znanosti. Danes žeštevilnebolnice, banke, policijskepostaje, vojaškebaze, hoteli, telekomunikacijskistolpi in industrijskiterpredelovalniobratiuporabljajogorivnecelicekotglavnealirezervnevireenergije. Poglejmosiposameznapodročjanekolikopodrobneje.

49. Stacionarnenamestitve • Do sedaj so posvetupostaviližepreko 2500 sistemov, kijihpoganjajogorivnecelice. Vseodbolnic, domov, hotelov, šol, bank, poslovnihzgradb, univerz pa do manjšihelektrarn in industrijskihobratov. Njihovanaloga je bodisipreskrba z energijoali pa le sekundarnarezervnazalogaenergije. Današnjisistemidosežejo v povprečju 40% izkoristkegorivanapramproizvedenielektriki (fuel-to-electricity efficiency). Pretežno se uporabljajoogljikovodikovagoriva. Celicedelujejoskorajbrezslišno, karznižnazvočnoonesnaženjeokolice. Pravtakolahkoizkoristekcelicizboljšamo z izkoriščanjemodvečnetoplote v obliki pare (izkoristekkogeneracije). V večjihsistemih se takolahkotakodosežeskupenizkoristekkar 85% in znižastroškedelovanja in servisiranjaza 20% do 40%.

50. Stacionarnenamestitve • Ker se danes v telekomunikacijaboljalimanjprivsehprocesihuporabljajoračunalniki in ostaleelektronskenaprave, je zelopomembno, daimamokonstantno in zanesljivopreskrbo z energijo. Gorivneceliceimajozanesljivostkar 99,999% (v 2 letih bi v povprečju ne delovale le 5 min). Pravtakolahkonadomestijouporabobaterij oz. akumulatorjev v odročnejšikrajih. Priodlagalilščihodpadkov, čistilnihnapravah, pivovarnah se gorivneceliceuporabljajopredvsemzaradidejstva, dalahkokotgorivokoristijosammetan, kinastajakotproduktprinjihovemobratovanjuhkrati pa zmanjšujejosamoonasneževanjeokolja.