Kako rade gorive ćelije. Šta su gorive ćelije

AT savremeni život hemijski izvori struje su svuda oko nas: baterije u baterijskim lampama, baterije u mobilnim telefonima, vodonične gorivne ćelije, koje se već koriste u nekim automobilima. Brzi razvoj elektrohemijskih tehnologija može dovesti do toga da ćemo u bliskoj budućnosti, umjesto automobila na benzin, biti okruženi samo električnim vozilima, telefoni više neće brzo nestajati, a svaka kuća će imati svoju gorivnu ćeliju. električni generator. Jedan od zajedničkih programa Uralskog federalnog univerziteta sa Institutom za visokotemperaturnu elektrohemiju Uralskog ogranka Ruske akademije nauka, u saradnji sa kojim objavljujemo ovaj članak, posvećen je poboljšanju efikasnosti elektrohemijskog skladištenja i generatora energije. .

Danas ih ima mnogo različite vrste baterije, među kojima je sve teže snalaziti se. Daleko od toga da je svima jasno po čemu se baterija razlikuje od superkondenzatora i zašto se vodonična gorivna ćelija može koristiti bez straha od štete po okolinu. U ovom ćemo članku govoriti o tome kako se kemijske reakcije koriste za proizvodnju električne energije, koja je razlika između glavnih tipova modernih kemijskih izvora struje i kakve se perspektive otvaraju za elektrohemijsku energiju.

Hemija kao izvor električne energije

Prvo, pogledajmo zašto se kemijska energija uopće može koristiti za proizvodnju električne energije. Stvar je u tome da se u redoks reakcijama elektroni prenose između dva različita jona. Ako dve polovine hemijska reakcijašire u prostoru tako da se oksidacija i redukcija odvijaju odvojeno jedna od druge, tada je moguće osigurati da elektron koji se odvoji od jednog jona ne padne odmah na drugi, već prvo prođe putem koji je za njega unaprijed određen. Ova reakcija se može koristiti kao izvor električne struje.

Ovaj koncept je prvi put implementirao u 18. veku italijanski fiziolog Luiđi Galvani. Djelovanje tradicionalne galvanske ćelije temelji se na reakcijama redukcije i oksidacije metala različite aktivnosti. Na primjer, klasična ćelija je galvanska ćelija u kojoj se cink oksidira, a bakar reducira. Reakcije redukcije i oksidacije odvijaju se na katodi i anodi. A kako joni bakra i cinka ne bi dospjeli na "stranu teritoriju", gdje mogu direktno međusobno reagirati, između anode i katode obično se postavlja posebna membrana. Kao rezultat, između elektroda nastaje razlika potencijala. Ako spojite elektrode, na primjer, sa sijalicom, tada struja počinje teći u rezultirajućem električnom krugu i sijalica svijetli.

Dijagram galvanske ćelije

Wikimedia Commons

Pored materijala anode i katode, važna komponenta hemijskog izvora struje je elektrolit, unutar kojeg se kreću ioni i na čijoj granici se odvijaju sve elektrohemijske reakcije sa elektrodama. U ovom slučaju, elektrolit ne mora biti tekući - može biti i polimer i keramički materijal.

Glavni nedostatak galvanske ćelije je ograničeno vrijeme rada. Čim reakcija dođe do kraja (to jest, cijela anoda koja se postepeno otapa potpuno je potrošena), takav element će jednostavno prestati raditi.

Prst alkalne baterije

Punjiva

Prvi korak ka proširenju mogućnosti hemijskih izvora struje bilo je stvaranje baterije – izvora struje koji se može puniti i stoga ponovo koristiti. Da bi to učinili, naučnici su jednostavno predložili korištenje reverzibilnih kemijskih reakcija. Nakon što se baterija prvi put potpuno isprazni, uz pomoć vanjskog izvora struje, reakcija koja se dogodila u njoj može se pokrenuti u suprotnom smjeru. Ovo će vratiti prvobitno stanje tako da se baterija može ponovo koristiti nakon punjenja.

Automobilski olovni akumulator

Do danas je stvoreno mnogo različitih tipova baterija, koje se razlikuju po vrsti hemijske reakcije koja se u njima odvija. Najčešći tipovi baterija su olovno-kiselinske (ili jednostavno olovne) baterije koje se zasnivaju na oksidaciono-redukcionoj reakciji olova. Takvi uređaji imaju prilično dug vijek trajanja, a njihova potrošnja energije je do 60 vat-sati po kilogramu. Još popularniji u novije vrijeme su litijum-jonske baterije zasnovane na litijum redoks reakciji. Energetski intenzitet modernih litijum-jonskih baterija sada premašuje 250 vat-sati po kilogramu.

Li-ion baterija za mobilni telefon

Glavni problemi litijum-jonskih baterija su njihova niska efikasnost na niskim temperaturama, brzo starenje i povećana eksplozivnost. A zbog činjenice da litijum metal vrlo aktivno reaguje sa vodom da formira gas vodonik, a kiseonik se oslobađa kada baterija izgori, spontano sagorevanje litijum-jonske baterije je veoma teško koristiti sa tradicionalnim metodama gašenja požara. Kako bi poboljšali sigurnost takve baterije i ubrzali vrijeme njenog punjenja, znanstvenici predlažu katodni materijal koji sprječava nastanak dendritnih litijumskih struktura, a u elektrolit dodaju tvari koje formiraju eksplozivne strukture, te komponente koje se pale u ranim fazama. .

Čvrsti elektrolit

Kao još jedan manje očigledan način povećanja efikasnosti i sigurnosti baterija, hemičari su predložili da se ne ograničavaju na tečne elektrolite u hemijskim izvorima struje, već da se stvori potpuno čvrst izvor struje. U takvim uređajima uopće nema tekućih komponenti, ali postoji slojevita struktura čvrste anode, čvrste katode i čvrstog elektrolita između njih. Elektrolit u isto vrijeme obavlja funkciju membrane. Nosioci naboja u čvrstom elektrolitu mogu biti različiti ioni, ovisno o njegovom sastavu i reakcijama koje se odvijaju na anodi i katodi. Ali oni su uvijek dovoljno mali ioni koji se mogu relativno slobodno kretati kroz kristal, na primjer, H + protoni, Li + litijum joni ili O 2- joni kiseonika.

Vodikove gorive ćelije

Mogućnost punjenja i posebne sigurnosne mjere čine baterije mnogo obećavajućim izvorom struje od konvencionalnih baterija, ali ipak svaka baterija u sebi sadrži ograničenu količinu reagensa, a samim tim i ograničenu zalihu energije, te se svaki put baterija mora napuniti. da nastavi sa radom.

Da bi baterija bila "beskonačna", moguće je koristiti kao izvor energije ne one tvari koje se nalaze unutar ćelije, već gorivo koje se posebno pumpa kroz nju. Najbolje od svega, supstanca koja je što jednostavnijeg sastava, ekološki prihvatljiva i dostupna u izobilju na Zemlji je najprikladnija kao takvo gorivo.

Najprikladnija supstanca ove vrste je vodonik. Njegova oksidacija kiseonikom vazduha u vodu (prema reakciji 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) je jednostavna redoks reakcija, a transport elektrona između jona takođe se može koristiti kao izvor struje. Reakcija koja se odvija u ovom slučaju je neka vrsta reverzne reakcije na reakciju elektrolize vode (u kojoj se pod djelovanjem električne struje voda razlaže na kisik i vodik), a prvi put je takva shema predložena još u sredinom 19. veka.

No, unatoč činjenici da sklop izgleda prilično jednostavno, stvaranje efikasnog uređaja zasnovanog na ovom principu nije nimalo trivijalan zadatak. Za to je potrebno razdvojiti tokove kisika i vodonika u prostoru, osigurati transport potrebnih iona kroz elektrolit i smanjiti moguće gubitke energije u svim fazama rada.

Šematski dijagram rada vodonične gorivne ćelije

Shema radne vodikove gorivne ćelije je vrlo slična shemi kemijskog izvora struje, ali sadrži dodatne kanale za dovod goriva i oksidatora i uklanjanje produkta reakcije i viška isporučenih plinova. Elektrode u takvom elementu su porozni provodljivi katalizatori. Na anodu se dovodi gasovito gorivo (vodik), a na katodu oksidaciono sredstvo (kiseonik iz vazduha), a na granici svake od elektroda sa elektrolitom dolazi do sopstvene polureakcije (oksidacija vodonik i redukcija kiseonika, respektivno). U ovom slučaju, ovisno o vrsti gorivne ćelije i vrsti elektrolita, samo formiranje vode može se dogoditi ili u anodnom ili katodnom prostoru.

Toyotina vodonična gorivna ćelija

Joseph Brent / flickr

Ako je elektrolit polimer ili keramička membrana koji provode proton, otopina kiseline ili alkalije, tada su nositelj naboja u elektrolitu vodikovi ioni. U tom slučaju, molekularni vodik se oksidira na anodi u vodikove ione, koji prolaze kroz elektrolit i tamo reagiraju s kisikom. Ako je ion kisika O 2– nosilac naboja, kao u slučaju čvrstog oksidnog elektrolita, tada se kisik reducira u ion na katodi, ovaj ion prolazi kroz elektrolit i oksidira vodik na anodi da nastane voda i slobodni elektrona.

Osim reakcije oksidacije vodika za gorive ćelije, predloženo je korištenje drugih vrsta reakcija. Na primjer, umjesto vodika, redukcijsko gorivo može biti metanol, koji se oksidira kisikom u ugljični dioksid i vodu.

Efikasnost gorivnih ćelija

Uprkos svim prednostima vodoničnih gorivnih ćelija (kao što su ekološka prihvatljivost, praktički neograničena efikasnost, kompaktna veličina i visok energetski intenzitet), one imaju i niz nedostataka. To uključuje, prije svega, postepeno starenje komponenti i poteškoće u skladištenju vodika. Naučnici danas rade na tome kako da otklone ove nedostatke.

Trenutno se predlaže povećanje efikasnosti gorivih ćelija promenom sastava elektrolita, svojstava elektrode katalizatora i geometrije sistema (koji obezbeđuje snabdevanje gorivnim gasovima do željenu tačku i smanjiti nuspojave). Za rješavanje problema skladištenja plinovitog vodika koriste se materijali koji sadrže platinu, za čije zasićenje, na primjer, grafenske membrane.

Kao rezultat, moguće je postići povećanje stabilnosti gorivne ćelije i vijeka trajanja njenih pojedinačnih komponenti. Sada koeficijent konverzije hemijske energije u električnu u takvim ćelijama dostiže 80 posto, a pod određenim uslovima može biti i veći.

Ogromni izgledi za energiju vodika povezani su s mogućnošću kombiniranja gorivih ćelija u cijele baterije, pretvarajući ih u električne generatore velike snage. Čak i danas, električni generatori koji rade na vodikove gorive ćelije imaju snagu do nekoliko stotina kilovata i koriste se kao izvori energije za vozila.

Alternativno elektrohemijsko skladištenje

Pored klasičnih elektrohemijskih izvora struje, neobičniji sistemi se koriste i kao uređaji za skladištenje energije. Jedan od ovih sistema je superkondenzator (ili jonistor) - uređaj u kojem dolazi do razdvajanja i akumulacije naboja zbog formiranja dvostrukog sloja u blizini nabijene površine. Na sučelju elektroda-elektrolit u takvom uređaju, ioni različitih predznaka postrojavaju se u dva sloja, takozvani "dvostruki električni sloj", formirajući neku vrstu vrlo tankog kondenzatora. Kapacitet takvog kondenzatora, odnosno količina akumuliranog naboja, biće određena specifičnom površinom materijala elektrode, stoga je za materijal za izradu poželjno uzeti porozne materijale sa maksimalnom specifičnom površinom. superkondenzatori.

Ionistori su šampioni među hemijskim izvorima struje punjenja i pražnjenja po brzini punjenja, što je nesumnjiva prednost ovog tipa uređaja. Nažalost, oni su i rekorderi po brzini pražnjenja. Gustoća energije jonistora je osam puta manja u odnosu na olovne baterije i 25 puta manja od litijum-jonskih baterija. Klasični "dvoslojni" jonistori ne koriste elektrohemijsku reakciju u svojoj jezgri, a na njih se najpreciznije primjenjuje termin "kondenzator". Međutim, u onim verzijama jonistora, koje se zasnivaju na elektrohemijskoj reakciji i akumulacija naboja se proteže u dubinu elektrode, moguće je postići veća vremena pražnjenja uz održavanje velike brzine punjenja. Napori programera superkondenzatora usmjereni su na stvaranje hibridnih uređaja s baterijama koji kombinuju prednosti superkondenzatora, prvenstveno visoku brzinu punjenja, i prednosti baterija - visok energetski intenzitet i dugo vrijeme pražnjenja. Zamislite u bliskoj budućnosti jonistorsku bateriju koja će se napuniti za nekoliko minuta i napajati laptop ili pametni telefon dan ili više!

Unatoč činjenici da je sada gustoća energije superkondenzatora još uvijek nekoliko puta manja od gustoće energije baterija, oni se koriste u potrošačkoj elektronici i za motore raznih vozila, uključujući i većinu.

* * *

Dakle, danas postoji veliki broj elektrohemijskih uređaja, od kojih svaki obećava za svoju specifičnu primjenu. Kako bi poboljšali efikasnost ovih uređaja, naučnici moraju riješiti niz problema, kako fundamentalnih, tako i tehnoloških. Većina ovih zadataka u okviru jednog od revolucionarnih projekata rešava se na Uralskom federalnom univerzitetu, pa smo pitali Maksima Ananijeva, direktora Instituta za visokotemperaturnu elektrohemiju Uralskog odeljenja Ruske akademije nauka, prof. Odeljenja za tehnologiju elektrohemijske proizvodnje Instituta za hemijsku tehnologiju Uralskog federalnog univerziteta, da govori o neposrednim planovima i perspektivama razvoja modernih gorivnih ćelija.

N+1: Postoji li alternativa najpopularnijim Li-Ion baterijama u bliskoj budućnosti?

Maxim Ananiev: Moderni napori proizvođača baterija usmjereni su na zamjenu tipa nosača naboja u elektrolitu s litijuma na natrij, kalij i aluminij. Kao rezultat zamjene litijuma, bit će moguće smanjiti cijenu baterije, iako će se karakteristike težine i veličine proporcionalno povećati. Drugim riječima, za iste električne karakteristike, natrijum-jonska baterija će biti veća i teža od litijum-jonske baterije.

Osim toga, jedno od obećavajućih razvojnih područja za poboljšanje baterija je stvaranje hibridnih hemijskih izvora energije zasnovanih na kombinaciji metalno-jonskih baterija sa zračnom elektrodom, kao u gorivnim ćelijama. Generalno, pravac stvaranja hibridnih sistema, kao što je već pokazano na primeru superkondenzatora, očigledno će nam omogućiti da u bliskoj budućnosti vidimo na tržištu hemijske izvore energije sa visokim potrošačkim karakteristikama.

Uralski federalni univerzitet, zajedno sa akademskim i industrijskim partnerima iz Rusije i svijeta, trenutno realizuje šest megaprojekata koji su fokusirani na revolucionarne oblasti naučnog istraživanja. Jedan od takvih projekata je "Perspektivne tehnologije elektrohemijske energije od hemijskog dizajna novih materijala do elektrohemijskih uređaja nove generacije za očuvanje i konverziju energije".

Grupa naučnika sa Strateške akademske jedinice (SAU) Prirodno-matematičke škole UrFU, koja uključuje Maxim Ananiev, bavi se dizajnom i razvojem novih materijala i tehnologija, uključujući gorivne ćelije, elektrolitičke ćelije, metalne grafenske baterije, elektrohemijske sistemi za skladištenje energije i superkondenzatori.

Istraživački i naučni rad se odvija u stalnoj saradnji sa Institutom za visokotemperaturnu elektrohemiju Uralskog odeljenja Ruske akademije nauka i uz podršku partnera.

Koje gorivne ćelije se trenutno razvijaju i imaju najveći potencijal?

Jedna od najperspektivnijih vrsta gorivnih ćelija su protonsko-keramičke ćelije. Imaju prednosti u odnosu na polimerne gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona i čvrstim oksidnim ćelijama, jer mogu raditi s direktnim dovodom ugljikovodičnih goriva. Time se značajno pojednostavljuje projektovanje elektrane na bazi proton-keramičkih gorivnih ćelija i upravljačkog sistema, a samim tim i povećava pouzdanost rada. Istina, ova vrsta gorivnih ćelija trenutno je istorijski manje razvijena, ali savremena naučna istraživanja nam omogućavaju da se nadamo velikom potencijalu ove tehnologije u budućnosti.

Koji problemi u vezi sa gorivnim ćelijama se sada rješavaju na Uralskom federalnom univerzitetu?

Sada naučnici UrFU, zajedno sa Institutom za visokotemperaturnu elektrohemiju (IHTE) Uralskog ogranka Ruske akademije nauka, rade na stvaranju visoko efikasnih elektrohemijskih uređaja i autonomnih generatora energije za primenu u distribuiranoj energiji. Stvaranje elektrana za distribuiranu energiju u početku podrazumijeva razvoj hibridnih sistema baziranih na generatoru električne energije i uređaju za skladištenje, koji su baterije. Istovremeno, gorivna ćelija radi konstantno, obezbjeđujući opterećenje u vršnim satima, au stanju mirovanja puni bateriju, koja sama može djelovati kao rezerva kako u slučaju velike potrošnje energije tako iu slučaju vanrednih situacija.

Hemičari sa Uralskog federalnog univerziteta i IHTE-a postigli su najveći uspjeh u razvoju čvrsto-oksidnih i proton-keramičkih gorivnih ćelija. Od 2016. godine na Uralu, zajedno sa Državnom korporacijom Rosatom, stvorena je prva ruska proizvodnja elektrana na bazi čvrstih oksidnih gorivnih ćelija. Razvoj uralskih naučnika već je prošao "terenska" ispitivanja na stanici katodne zaštite gasovoda na eksperimentalnom mestu Uraltransgaz LLC preduzeća. Elektrana nazivne snage 1,5 kilovata radila je više od 10 hiljada sati i pokazala je visok potencijal za korištenje ovakvih uređaja.

U okviru zajedničke laboratorije Uralskog federalnog univerziteta i IHTE razvijaju se elektrohemijski uređaji na bazi keramičke membrane koja provode proton. Ovo će omogućiti da se u bliskoj budućnosti smanje radne temperature gorivnih ćelija čvrstih oksida sa 900 na 500 stepeni Celzijusa i napusti preliminarni reforming ugljovodoničnih goriva, čime će se stvoriti isplativi elektrohemijski generatori sposobni za rad u uslovima razvijena infrastruktura za snabdevanje gasom u Rusiji.

Alexander Dubov

Mobilna elektronika svake godine, ako ne i mjesec dana, postaje sve dostupnija i češća. Ovdje imate i laptope, i PDA, i digitalne fotoaparate, i mobilne telefone, i puno raznih korisnih i ne baš uređaja. I svi ovi uređaji stalno dobijaju nove funkcije, snažnije procesore, veće ekrane u boji, bežičnu povezanost, a istovremeno se smanjuju u veličini. Ali, za razliku od poluvodičkih tehnologija, energetske tehnologije ove mobilne menažerije nisu nimalo velike.

Konvencionalni akumulatori i baterije očigledno nisu dovoljni da napajaju najnovija dostignuća u elektronskoj industriji tokom bilo kakvog značajnog vremena. A bez pouzdanih i kapacitetnih baterija gubi se cijela poenta mobilnosti i bežičnosti. Dakle, kompjuterska industrija sve aktivnije radi na ovom problemu alternativni izvori energije. A smjerovi koji najviše obećavaju do danas gorivne ćelije.

Osnovni princip gorivnih ćelija otkrio je britanski naučnik Sir William Grove 1839. godine. Poznat je kao otac "gorivih ćelija". William Grove je proizveo električnu energiju tako što je izvukao vodonik i kisik. Nakon što je odvojio bateriju od elektrolitičke ćelije, Grove je bio iznenađen kada je otkrio da su elektrode počele da apsorbuju oslobođeni gas i stvaraju struju. Otvaranje procesa elektrohemijsko "hladno" sagorevanje vodonika postao značajan događaj u energetskom sektoru, ai u budućnosti, poznati elektrohemičari poput Ostwalda i Nernsta odigrali su važnu ulogu u razvoju teorijskih osnova i praktične implementacije gorivnih ćelija i predviđali im veliku budućnost.

Ja sam izraz "goriva ćelija" (Fuel Cell) pojavio se kasnije - predložili su ga 1889. Ludwig Mond i Charles Langer, koji su pokušavali stvoriti uređaj za proizvodnju električne energije iz zraka i ugljenog plina.

Prilikom normalnog sagorevanja u kiseoniku, organsko gorivo se oksidira, a hemijska energija goriva se neefikasno pretvara u toplotnu energiju. Ali pokazalo se da je moguće provesti reakciju oksidacije, na primjer, vodika s kisikom, u okruženju elektrolita i, u prisutnosti elektroda, dobiti električnu struju. Na primjer, dovođenjem vodika na elektrodu u alkalnom okruženju, dobijamo elektrone:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

koji prolazeći kroz eksterno kolo ulaze u suprotnu elektrodu u koju ulazi kiseonik i gde se odvija reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Može se vidjeti da je rezultirajuća reakcija 2H2 + O2 → H2O ista kao kod konvencionalnog sagorijevanja, ali u gorivnoj ćeliji, ili inače - u elektrohemijski generator, električna struja se dobija sa velikom efikasnošću i delimično toplotom. Imajte na umu da se ugalj, ugljični monoksid, alkoholi, hidrazin i druge organske tvari također mogu koristiti kao gorivo u gorivnim ćelijama, a zrak, vodikov peroksid, hlor, brom, Azotna kiselina itd.

Razvoj gorivnih ćelija se intenzivno nastavio iu inostranstvu iu Rusiji, a potom iu SSSR-u. Među naučnicima koji su dali veliki doprinos proučavanju gorivnih ćelija izdvajamo V. Jacoa, P. Yablochkova, F. Bacona, E. Bauera, E. Justija, K. Kordesa. Sredinom prošlog veka počeo je novi napad na probleme sa gorivnim ćelijama. To je dijelom zbog pojave novih ideja, materijala i tehnologija kao rezultat istraživanja odbrane.

Jedan od naučnika koji je napravio veliki korak u razvoju gorivnih ćelija bio je P. M. Spiridonov. Vodonik-kiseonički elementi Spiridonova dao je gustoću struje od 30 mA/cm2, što se za to vrijeme smatralo velikim dostignućem. Četrdesetih godina prošlog stoljeća O. Davtyan je stvorio instalaciju za elektrohemijsko sagorijevanje generatorskog plina dobivenog gasifikacijom uglja. Od svakog kubnog metra zapremine elementa, Davtyan je dobio 5 kW snage.

Ovo je bilo prva gorivna ćelija sa čvrstim elektrolitom. Imao je visoku efikasnost, ali je vremenom elektrolit postao neupotrebljiv i morao se mijenjati. Kasnije, kasnih pedesetih, Davtyan je stvorio moćnu instalaciju koja pokreće traktor. Iste godine engleski inženjer T. Bacon dizajnirao je i napravio bateriju gorivne ćelije ukupne snage 6 kW i efikasnosti od 80%, koja radi na čistom vodiku i kiseoniku, ali odnos snage i težine baterije ispostavilo se da su premale - takve ćelije su bile neprikladne za praktičnu upotrebu i preskupe.

Narednih godina je prošlo vrijeme samaca. Kreatori svemirskih letelica su se zainteresovali za gorive ćelije. Od sredine 1960-ih, milioni dolara su uloženi u istraživanje gorivnih ćelija. Rad hiljada naučnika i inženjera omogućio je dostizanje novog nivoa, a 1965. Gorivne ćelije su testirane u Sjedinjenim Državama na letjelici Gemini 5, a kasnije i na letjelici Apollo za letove na Mjesec i po programu Shuttle.

U SSSR-u su gorivne ćelije razvijene u NPO Kvant, takođe za upotrebu u svemiru. Tih godina već su se pojavili novi materijali - čvrsti polimerni elektroliti na bazi jono-izmjenjivačkih membrana, nove vrste katalizatora, elektroda. Pa ipak, gustina radne struje bila je mala - unutar 100-200 mA/cm2, a sadržaj platine na elektrodama bio je nekoliko g/cm2. Bilo je mnogo problema vezanih za trajnost, stabilnost, sigurnost.

Sljedeća faza u brzom razvoju gorivnih ćelija započela je 1990-ih. prošlog veka i traje do danas. To je uzrokovano potrebom za novim efikasnim izvorima energije u vezi, s jedne strane, sa globalnim ekološki problem povećanje emisije gasova staklene bašte iz sagorevanja fosilnih goriva i, s druge strane, iscrpljivanje tih goriva. Budući da je krajnji proizvod sagorijevanja vodonika u gorivim ćelijama voda, oni se smatraju najčistijim u smislu utjecaja na okoliš. Glavni problem je samo pronaći efikasan i jeftin način za proizvodnju vodonika.

Milijarde dolara vrijedna finansijska ulaganja u razvoj gorivnih ćelija i generatora vodonika trebala bi dovesti do tehnološkog iskora i učiniti njihovu upotrebu u svakodnevnom životu stvarnošću: u ćelijama za mobilne telefone, u automobilima, u elektranama. Već sada takvi automobilski giganti kao što su "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" demonstriraju putničke automobile i autobuse koji rade na gorive ćelije snage 50 kW. Razvio se veliki broj kompanija demonstracijske elektrane na gorive ćelije sa čvrstim oksidnim elektrolitom snage do 500 kW. Ali, uprkos značajnom napretku u poboljšanju performansi gorivnih ćelija, još uvijek postoje mnogi problemi koje treba riješiti u vezi s njihovom cijenom, pouzdanošću i sigurnošću.

U gorivnoj ćeliji, za razliku od baterija i akumulatora, i gorivo i oksidant se u nju unose izvana. Goriva ćelija je samo posrednik u reakciji i, u idealnim uslovima, mogla bi da traje skoro večno. Ljepota ove tehnologije je u tome što se, u stvari, gorivo sagorijeva u elementu, a oslobođena energija se direktno pretvara u električnu energiju. Prilikom direktnog sagorijevanja goriva, ono se oksidira kisikom, a toplina koja se oslobađa u ovom slučaju koristi se za obavljanje korisnog rada.

U gorivnoj ćeliji, kao iu baterijama, reakcije oksidacije goriva i redukcije kisika su prostorno razdvojene, a proces "sagorijevanja" nastaje samo ako ćelija opskrbljuje strujom opterećenje. Tako je dizel agregat, samo bez dizela i generatora. I takođe bez dima, buke, pregrevanja i sa mnogo većom efikasnošću. Ovo posljednje se objašnjava činjenicom da, prvo, nema srednjih mehaničkih uređaja i, drugo, gorivna ćelija nije toplinski motor i, kao rezultat toga, ne poštuje Carnotov zakon (odnosno, njegova efikasnost nije određena temperaturna razlika).

Kiseonik se koristi kao oksidant u gorivnim ćelijama. Štoviše, budući da u zraku ima dovoljno kisika, nema potrebe brinuti o opskrbi oksidirajućim agensom. Što se tiče goriva, to je vodonik. Dakle, u gorivoj ćeliji se reakcija odvija:

2H2 + O2 → 2H2O + struja + toplota.

Rezultat je korisna energija i vodena para. Najjednostavniji u svom uređaju je gorive ćelije sa membranom za izmjenu protona(vidi sliku 1). Radi na sljedeći način: vodonik koji ulazi u ćeliju se pod djelovanjem katalizatora razlaže na elektrone i pozitivno nabijene vodikove ione H+. Tada u akciju stupa posebna membrana, koja ovdje igra ulogu elektrolita u konvencionalnoj bateriji. Zbog svog hemijskog sastava, protone propušta kroz sebe, ali zadržava elektrone. Dakle, elektroni nakupljeni na anodi stvaraju višak negativnog naboja, a ioni vodika stvaraju pozitivan naboj na katodi (napon na elementu je oko 1V).

Da bi se stvorila velika snaga, gorivna ćelija se sastavlja od mnogih ćelija. Ako je element uključen u opterećenje, tada će elektroni teći kroz njega do katode, stvarajući struju i dovršavajući proces oksidacije vodika kisikom. Kao katalizator u takvim gorivnim ćelijama, u pravilu se koriste mikročestice platine nanesene na karbonska vlakna. Zbog svoje strukture, takav katalizator dobro propušta plin i struju. Membrana je obično napravljena od polimera Nafion koji sadrži sumpor. Debljina membrane je desetinke milimetra. Tokom reakcije se, naravno, oslobađa i toplina, ali je nema toliko, pa se radna temperatura održava u području od 40-80 °C.

Fig.1. Princip rada gorivne ćelije

Postoje i druge vrste gorivnih ćelija, koje se uglavnom razlikuju po vrsti upotrijebljenog elektrolita. Gotovo svi oni zahtijevaju vodonik kao gorivo, pa se postavlja logično pitanje: gdje ga nabaviti. Naravno, bilo bi moguće koristiti komprimovani vodonik iz cilindara, ali odmah se javljaju problemi u vezi sa transportom i skladištenjem ovog lako zapaljivog gasa pod visokim pritiskom. Naravno, možete koristiti vodonik u vezanom obliku, kao u metal-hidridnim baterijama. Ali i dalje ostaje zadatak njegovog vađenja i transporta, jer infrastruktura za punionice vodonika ne postoji.

Međutim, i ovdje postoji rješenje - tekuće ugljikovodično gorivo može se koristiti kao izvor vodonika. Na primjer, etil ili metil alkohol. Istina, ovdje je već potreban poseban dodatni uređaj - pretvarač goriva, koji na visokoj temperaturi (za metanol će biti negdje oko 240 ° C) pretvara alkohole u mješavinu plinovitih H2 i CO2. Ali u ovom slučaju već je teže razmišljati o prenosivosti - takve uređaje je dobro koristiti kao stacionarne ili, ali za kompaktnu mobilnu opremu treba vam nešto manje glomazno.

I tu dolazimo do samog uređaja, koji užasnom snagom razvijaju gotovo svi najveći proizvođači elektronike - metanolna gorivna ćelija(Slika 2).

Fig.2. Princip rada gorivne ćelije na metanolu

Osnovna razlika između gorivnih ćelija vodika i metanola je katalizator koji se koristi. Katalizator u metanolnoj gorivnoj ćeliji omogućava da se protoni apstrahuju direktno iz molekula alkohola. Time je riješen problem s gorivom - metil alkohol se masovno proizvodi za hemijsku industriju, lako se skladišti i transportuje, a za punjenje metanolne gorivne ćelije dovoljno je jednostavno zamijeniti kartušu goriva. Istina, postoji jedan značajan minus - metanol je toksičan. Osim toga, efikasnost gorivne ćelije s metanolom je mnogo niža od one kod vodonične gorivne ćelije.

Rice. 3. Gorivna ćelija metanola

Najprimamljivija opcija je korištenje etilnog alkohola kao goriva, jer je proizvodnja i distribucija alkoholnih pića bilo kojeg sastava i jačine dobro uspostavljena. globus. Međutim, efikasnost etanolnih gorivnih ćelija je, nažalost, čak niža od one kod metanolnih gorivnih ćelija.

Kao što je napomenuto tokom mnogo godina razvoja gorivih ćelija, izgrađene su različite vrste gorivnih ćelija. Gorivne ćelije su klasifikovane prema elektrolitu i vrsti goriva.

1. Čvrsti polimerni vodonik-kiseonički elektrolit.

2. Gorivne ćelije od čvrstog polimera metanola.

3. Elementi na alkalnom elektrolitu.

4. Gorivne ćelije fosforne kiseline.

5. Gorivne ćelije na rastopljenim karbonatima.

6. Gorivne ćelije sa čvrstim oksidom.

U idealnom slučaju, efikasnost gorivih ćelija je veoma visoka, ali u realnim uslovima postoje gubici povezani sa neravnotežnim procesima, kao što su: omski gubici zbog specifične provodljivosti elektrolita i elektroda, aktivaciona i koncentracijska polarizacija, difuzioni gubici. Kao rezultat toga, dio energije proizvedene u gorivnim ćelijama pretvara se u toplinu. Napori stručnjaka usmjereni su na smanjenje ovih gubitaka.

Glavni izvor omskih gubitaka, kao i razlog visoke cijene gorivnih ćelija, su perfluorirane sulfokacione jonoizmenjivačke membrane. Sada se traže alternativni, jeftiniji polimeri koji provode proton. S obzirom da provodljivost ovih membrana (čvrsti elektroliti) samo u prisustvu vode dostiže prihvatljivu vrijednost (10 Ω/cm), plinovi koji se dovode u gorivu ćeliju moraju se dodatno navlažiti u posebnom uređaju, što također poskupljuje sistem. U elektrodama za katalitičku plinsku difuziju uglavnom se koriste platina i neki drugi plemeniti metali, za koje do sada nije pronađena zamjena. Iako je sadržaj platine u gorivnim ćelijama nekoliko mg/cm2, za velike baterije njena količina doseže desetine grama.

Prilikom projektovanja gorivnih ćelija, velika pažnja se poklanja sistemu odvođenja toplote, jer se pri velikim gustinama struje (do 1 A/cm2) sistem samozagreva. Za hlađenje se koristi voda koja cirkulira u gorivoj ćeliji kroz posebne kanale, a pri maloj snazi ​​se upuhuje zrak.

Dakle, savremeni sistem elektrohemijskog generatora, pored same baterije gorivih ćelija, „obrastao“ je i mnogim pomoćnim uređajima, kao što su: pumpe, kompresor za dovod vazduha, ulazni vodonik, ovlaživač gasa, rashladna jedinica, sistem za kontrolu curenja gasa, DC-to-AC pretvarač, upravljački procesor i dr. Sve to dovodi do činjenice da je trošak sistema gorivih ćelija u periodu 2004-2005 bio 2-3 hiljade $/kW. Prema riječima stručnjaka, gorivne ćelije će biti dostupne za upotrebu u transportu i stacionarnim elektranama po cijeni od 50-100 dolara/kW.

Za uvođenje gorivnih ćelija u svakodnevni život, uz jeftinije komponente, treba očekivati ​​nove originalne ideje i pristupe. Posebno se velike nade vezuju za korištenje nanomaterijala i nanotehnologija. Na primjer, nekoliko kompanija je nedavno najavilo stvaranje ultra-efikasnih katalizatora, posebno za kisikove elektrode, na bazi klastera nanočestica iz različitih metala. Osim toga, postojali su izvještaji o dizajnu gorivih ćelija bez membrane u kojima se tečno gorivo (npr. metanol) dovodi u gorivu ćeliju zajedno sa oksidantom. Interesantan je i razvijen koncept ćelija biogoriva koje rade u zagađenim vodama i troše rastvoreni kiseonik u vazduhu kao oksidator, i organske nečistoće kao gorivo.

Stručnjaci predviđaju da će gorive ćelije ući na masovno tržište u narednim godinama. Zaista, programeri jedan za drugim prevazilaze tehničke probleme, izvještavaju o uspjesima i predstavljaju prototipove gorivnih ćelija. Na primjer, Toshiba je demonstrirala gotov prototip gorive ćelije na metanolu. Veličine je 22x56x4.5mm i daje snagu od oko 100mW. Jedno punjenje od 2 kocke koncentrovanog (99,5%) metanola je dovoljno za 20 sati rada MP3 plejera. Toshiba je objavila komercijalnu gorivnu ćeliju za napajanje mobilnih telefona. Ponovo je ista Toshiba demonstrirala element za napajanje laptopa 275x75x40mm, koji omogućava da računar radi 5 sati sa jednim punjenjem.

Ne zaostaje mnogo za Toshibom i još jednom japanskom kompanijom - Fujitsu. 2004. godine uvela je i element koji radi na 30% vodenom rastvoru metanola. Ova gorivna ćelija je radila sa jednim punjenjem od 300 ml 10 sati i istovremeno proizvodila 15 vati snage.

Casio razvija gorivu ćeliju u kojoj se metanol prvo prerađuje u mješavinu plinova H2 i CO2 u minijaturnom pretvaraču goriva, a zatim se dovodi u gorivu ćeliju. Tokom demonstracije, Casio prototip je pokretao laptop 20 sati.

Samsung je takođe stekao ime u oblasti gorivnih ćelija – 2004. godine je demonstrirao svoj prototip od 12 W dizajniran za napajanje laptopa. Generalno, Samsung namerava da koristi gorivne ćelije, pre svega, u pametnim telefonima četvrte generacije.

Moram reći da su japanske kompanije generalno vrlo temeljito pristupile razvoju gorivnih ćelija. Još 2003. godine, kompanije kao što su Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba udružile su snage kako bi razvile zajednički standard gorivnih ćelija za laptopove, mobilne telefone, PDA i druge elektronske uređaje. Američke kompanije, kojih također ima dosta na ovom tržištu, uglavnom rade po ugovorima s vojskom i razvijaju gorivne ćelije za elektrifikaciju američkih vojnika.

Nijemci ne zaostaju mnogo - kompanija Smart Fuel Cell prodaje gorivne ćelije za napajanje mobilne kancelarije. Uređaj se zove Smart Fuel Cell C25, ima dimenzije 150x112x65mm i može proizvesti do 140 vat-sati sa jednim punjenjem. Ovo je dovoljno za napajanje laptopa oko 7 sati. Zatim se uložak može zamijeniti i možete nastaviti s radom. Veličina metanolnog uloška je 99x63x27 mm i težak je 150g. Sam sistem je težak 1,1 kg, tako da ga ne možete nazvati potpuno prenosivim, ali je ipak potpuno gotov i praktičan uređaj. Kompanija takođe razvija modul za gorivo za napajanje profesionalnih video kamera.

Općenito, gorivne ćelije su skoro ušle na tržište mobilne elektronike. Proizvođači moraju riješiti posljednje tehničke probleme prije pokretanja masovne proizvodnje.

Prvo, potrebno je riješiti pitanje minijaturizacije gorivnih ćelija. Na kraju krajeva, što je manja gorivna ćelija, to može proizvesti manje snage - tako da se stalno razvijaju novi katalizatori i elektrode koji omogućavaju, uz male veličine, da se maksimizira radna površina. Ovdje su najnovija dostignuća u području nanotehnologija i nanomaterijala (na primjer, nanocijevi) vrlo zgodna. Opet, za minijaturizaciju cevovoda elemenata (pumpe za gorivo i vodu, sistemi za hlađenje i konverzija goriva) sve više se koriste dostignuća mikroelektromehanike.

Drugo važno pitanje koje treba riješiti je cijena. Uostalom, vrlo skupa platina se koristi kao katalizator u većini gorivnih ćelija. Opet, neki od proizvođača pokušavaju maksimalno iskoristiti već dobro uhodane silikonske tehnologije.

Što se tiče ostalih oblasti upotrebe gorivih ćelija, gorivne ćelije su se tamo već čvrsto ustalile, iako još nisu postale mainstream ni u energetskom sektoru ni u transportu. Mnogi proizvođači automobila već su predstavili svoje konceptualne automobile s pogonom na gorive ćelije. Autobusi na gorive ćelije voze u nekoliko gradova širom svijeta. Izdanja kanadskog Ballard Power Systems cela linija stacionarni generatori snage od 1 do 250 kW. Istovremeno, kilovatni agregati su dizajnirani da odmah snabdijevaju jedan stan strujom, grijanjem i toplom vodom.

gorivne ćelije Gorivne ćelije su hemijski izvori energije. Oni sprovode direktnu konverziju energije goriva u električnu energiju, zaobilazeći neefikasne procese sagorevanja sa velikim gubicima. Ovaj elektrohemijski uređaj, kao rezultat visokoefikasnog "hladnog" sagorevanja goriva, direktno proizvodi električnu energiju.

Biohemičari su ustanovili da je u svaku "ugrađena" biološka vodonik-kiseonička gorivna ćelija živa ćelija(vidi poglavlje 2).

Izvor vodonika u organizmu je hrana - masti, proteini i ugljeni hidrati. U želucu, crijevima i stanicama, na kraju se razgrađuje do monomera, koji zauzvrat, nakon niza kemijskih transformacija, daju vodonik vezan za molekulu nosača.

Kiseonik iz vazduha ulazi u krv kroz pluća, spaja se sa hemoglobinom i prenosi se u sva tkiva. Proces spajanja vodonika sa kiseonikom je osnova bioenergetike organizma. Ovde se, pod blagim uslovima (sobna temperatura, normalan pritisak, vodena sredina), hemijska energija sa visokom efikasnošću pretvara u toplotnu, mehaničku (kretanje mišića), električnu ( električni Stingray), svjetlost (insekti emituje svetlost).

Čovjek je još jednom ponovio napravu za dobijanje energije koju je stvorila priroda. Istovremeno, ova činjenica ukazuje na izglede pravca. Svi procesi u prirodi su vrlo racionalni, pa koraci ka stvarnoj upotrebi gorivnih ćelija ulijevaju nadu u energetsku budućnost.

Otkriće 1838. vodonik-kiseoničke gorivne ćelije pripada engleskom naučniku W. Groveu. Istražujući razgradnju vode na vodik i kisik, otkrio je nuspojavu - elektrolizer je proizvodio električnu struju.

Šta gori u gorivnoj ćeliji?
Fosilna goriva (ugalj, gas i nafta) su uglavnom ugljenik. Tokom sagorevanja, atomi goriva gube elektrone, a atomi kiseonika ih dobijaju. Tako se u procesu oksidacije atomi ugljika i kisika spajaju u produkte izgaranja - molekule ugljičnog dioksida. Ovaj proces je snažan: atomi i molekuli tvari uključenih u izgaranje postižu velike brzine, a to dovodi do povećanja njihove temperature. Počinju emitirati svjetlost - pojavljuje se plamen.

Hemijska reakcija sagorevanja ugljika ima oblik:

C + O2 = CO2 + toplota

U procesu sagorevanja, hemijska energija se pretvara u toplotnu usled razmene elektrona između atoma goriva i oksidatora. Ova razmjena se dešava nasumično.

Sagorijevanje je razmjena elektrona između atoma, a električna struja je usmjereno kretanje elektrona. Ako su u procesu kemijske reakcije elektroni prisiljeni da rade, tada će se temperatura procesa izgaranja smanjiti. U FC, elektroni se uzimaju iz reaktanata na jednoj elektrodi, daju svoju energiju u obliku električne struje i pridružuju se reaktantima na drugoj.

Osnova svakog HIT-a su dvije elektrode povezane elektrolitom. Gorivna ćelija se sastoji od anode, katode i elektrolita (vidi Poglavlje 2). Oksidira na anodi, tj. donira elektrone, redukciono sredstvo (CO ili H2 gorivo), slobodni elektroni iz anode ulaze u eksterno kolo, a pozitivni ioni se zadržavaju na interfejsu anoda-elektrolit (CO+, H+). S drugog kraja lanca elektroni se približavaju katodi na kojoj se odvija reakcija redukcije (dodavanje elektrona oksidacijskim sredstvom O2–). Joni oksidansa se zatim prenose elektrolitom do katode.

U FC se spajaju tri faze fizičko-hemijskog sistema:

gas (gorivo, oksidant);
elektrolit (provodnik jona);
metalna elektroda (provodnik elektrona).
U gorivnim ćelijama energija redoks reakcije pretvara se u električnu energiju, a procesi oksidacije i redukcije su prostorno odvojeni elektrolitom. Elektrode i elektrolit ne sudjeluju u reakciji, ali u stvarnim projektima vremenom postaju kontaminirani nečistoćama goriva. Elektrohemijsko sagorevanje se može odvijati na niskim temperaturama i praktično bez gubitaka. Na sl. p087 prikazuje situaciju u kojoj mješavina plinova (CO i H2) ulazi u gorivu ćeliju, tj. može sagorevati gasovito gorivo (vidi Poglavlje 1). Tako se TE ispostavilo da je "svejedi".

Upotreba gorivnih ćelija je komplikovana činjenicom da se gorivo za njih mora „pripremiti“. Za gorive ćelije, vodonik se dobija konverzijom organskog goriva ili gasifikacijom uglja. Dakle, strukturni dijagram elektrane na gorivu ćeliju, pored baterija gorivne ćelije, DC-to-AC pretvarača (vidi Poglavlje 3) i pomoćne opreme, uključuje i jedinicu za proizvodnju vodonika.

Dva pravca razvoja FK

Postoje dva područja primjene gorivnih ćelija: autonomna i energija velikih razmjera.

Za autonomnu upotrebu, glavne su specifične karakteristike i jednostavnost upotrebe. Cijena proizvedene energije nije glavni pokazatelj.

Za veliku proizvodnju električne energije, efikasnost je odlučujući faktor. Osim toga, instalacije moraju biti izdržljive, ne sadrže skupe materijale i upotrebu prirodno gorivo uz minimalne troškove obuke.

Najveće prednosti nudi upotreba gorivnih ćelija u automobilu. Ovdje će, kao nigdje drugdje, djelovati kompaktnost gorivnih ćelija. Uz direktan prijem električne energije iz goriva, ušteda potonjeg bit će oko 50%.

Po prvi put ideju o korištenju gorivnih ćelija u elektroenergetici velikih razmjera formulirao je njemački znanstvenik W. Oswald 1894. godine. Kasnije se razvila ideja o stvaranju efikasnih izvora autonomne energije na bazi gorivne ćelije.

Nakon toga, više puta se pokušavalo koristiti ugalj kao aktivnu tvar u gorivnim ćelijama. 1930-ih, njemački istraživač E. Bauer stvorio je laboratorijski prototip gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom za direktnu anodnu oksidaciju uglja. Istovremeno, proučavane su gorivne ćelije kisik-vodik.

Godine 1958. u Engleskoj je F. Bacon stvorio prvu elektranu za kiseonik i vodonik kapaciteta 5 kW. Ali to je bilo glomazno zbog korištenja visokog tlaka plina (2 ... 4 MPa).

Od 1955. K. Kordesh razvija gorivne ćelije niske temperature kisik-vodik u SAD-u. Koristili su karbonske elektrode s platinskim katalizatorima. U Njemačkoj je E. Yust radio na stvaranju neplatinastih katalizatora.

Nakon 1960. stvoreni su demonstracijski i reklamni uzorci. Prva praktična primjena gorivnih ćelija pronađena je na svemirskom brodu Apollo. Bile su glavne elektrane za napajanje opreme na brodu i snabdijevale astronautima vodu i toplinu.

Glavna područja upotrebe autonomnih instalacija sa gorivnim ćelijama bile su vojne i pomorske aplikacije. Krajem 1960-ih obim istraživanja gorivnih ćelija je opao, a nakon 1980-ih ponovo se povećao u odnosu na energiju velikih razmjera.

VARTA je razvila FC koristeći dvostrane elektrode za difuziju plina. Elektrode ovog tipa nazivaju se "Janus". Siemens je razvio elektrode sa gustina snage do 90 W/kg. U Sjedinjenim Državama rad na ćelijama kiseonika i vodika izvodi United Technology Corp.

U velikoj energetskoj industriji, upotreba gorivnih ćelija za skladištenje energije velikih razmjera, na primjer, proizvodnju vodonika (vidi Poglavlje 1), je vrlo obećavajuća. (sunce i vjetar) su raspršeni (vidi poglavlje 4). Njihova ozbiljna upotreba, koja je neophodna u budućnosti, nezamisliva je bez kapacitetnih baterija koje skladište energiju u ovom ili onom obliku.

Problem akumulacije je već danas aktuelan: dnevne i sedmične fluktuacije opterećenja elektroenergetskih sistema značajno smanjuju njihovu efikasnost i zahtijevaju takozvane manevarske kapacitete. Jedna od opcija za elektrohemijsko skladištenje energije je gorivna ćelija u kombinaciji sa elektrolizerima i plinskim držačima*.

* Držač za plin [plin + engleski. držač] - skladište za velike količine plina.

Prva generacija TE

Srednjetemperaturne gorive ćelije prve generacije, koje rade na temperaturi od 200...230°C na tečno gorivo, prirodni gas ili tehnički vodonik*, dostigle su najveće tehnološko savršenstvo. Elektrolit u njima je fosforna kiselina, koja ispunjava porozni ugljenični matriks. Elektrode su napravljene od ugljenika, a katalizator je platina (platina se koristi u količinama od nekoliko grama po kilovatu snage).

* Komercijalni vodonik je proizvod za konverziju fosilnih goriva koji sadrži manje nečistoće ugljičnog monoksida.

Jedna takva elektrana puštena je u rad u državi Kalifornija 1991. godine. Sastoji se od osamnaest baterija od po 18 tona i smešten je u kućište prečnika nešto više od 2 m i visine oko 5 m. Procedura zamene baterija je osmišljena korišćenjem okvirne konstrukcije koja se kreće duž šina.

Sjedinjene Države su Japanu isporučile dvije elektrane u Japan. Prvi od njih pokrenut je početkom 1983. godine. Operativne performanse stanice odgovarale su izračunatim. Radila je sa opterećenjem od 25 do 80% nominalnog. Efikasnost je dostigla 30...37% - ovo je blizu modernih velikih termoelektrana. Njegovo vrijeme pokretanja iz hladnog stanja je od 4 sata do 10 minuta, a trajanje promjene snage od nule do punog je samo 15 sekundi.

Sada se u različitim dijelovima Sjedinjenih Država testiraju male kombinirane toplinske i elektrane snage 40 kW s faktorom iskorištenja goriva od oko 80%. Mogu zagrijati vodu do 130°C i postavljaju se u praonicama, sportskim kompleksima, komunikacijskim punktovima itd. Stotinjak instalacija je već radilo ukupno stotine hiljada sati. Ekološka prihvatljivost FC elektrana omogućava njihovo postavljanje direktno u gradove.

Prva elektrana na gorivo u Njujorku, snage 4,5 MW, zauzimala je površinu od 1,3 hektara. Sada je za nova postrojenja kapaciteta dva i po puta veća potrebna lokacija dimenzija 30x60 m. Gradi se nekoliko oglednih elektrana snage 11 MW. Vrijeme izgradnje (7 mjeseci) i površina (30x60 m) koju zauzima elektrana je upečatljiva. Procijenjeni vijek trajanja novih elektrana je 30 godina.

Druga i treća generacija TE

Najbolje karakteristike već se projektuju modularna postrojenja snage 5 MW sa srednjetemperaturnim gorivnim ćelijama druge generacije. Rade na temperaturama od 650...700°C. Njihove anode su napravljene od sinterovanih čestica nikla i hroma, katode od sinterovanog i oksidovanog aluminijuma, a elektrolit je mešavina litijum i kalijum karbonata. Povišena temperatura pomaže u rješavanju dva glavna elektrohemijska problema:

smanjiti "trovanje" katalizatora ugljičnim monoksidom;
povećati efikasnost procesa redukcije oksidatora na katodi.
Visokotemperaturne gorivne ćelije treće generacije sa elektrolitom čvrstih oksida (uglavnom cirkonijum dioksida) biće još efikasnije. Njihova radna temperatura je do 1000°C. Efikasnost elektrana sa ovakvim gorivnim ćelijama je blizu 50%. Ovdje su kao gorivo prikladni i proizvodi gasifikacije čvrstog uglja sa značajnim sadržajem ugljičnog monoksida. Jednako važno, otpadna toplina iz visokotemperaturnih postrojenja može se koristiti za proizvodnju pare za pogon turbina za električne generatore.

Vestingaus se bavi proizvodnjom čvrstih oksidnih gorivnih ćelija od 1958. godine. Razvija elektrane kapaciteta 25 ... 200 kW, u kojima se može koristiti plinovito gorivo iz uglja. U pripremi su za ispitivanje eksperimentalne instalacije snage nekoliko megavata. Druga američka firma, Engelgurd, dizajnira gorivne ćelije od 50 kW koje rade na metanolu sa fosfornom kiselinom kao elektrolitom.

Sve više i više firmi širom svijeta uključeno je u stvaranje gorivnih ćelija. Američka United Technology i japanska Toshiba osnovali su International Fuel Cells Corporation. U Evropi se gorivnim ćelijama bave belgijsko-holandski konzorcijum Elenko, zapadnonjemačka kompanija Siemens, talijanski Fiat, britanski Jonson Metju.

Victor LAVRUS.

Ako vam se svidio ovaj materijal, onda vam nudimo izbor najboljih materijala na našoj stranici po mišljenju naših čitatelja. Izbor - TOP o ekološkim tehnologijama, nova nauka i naučna otkrića možete pronaći tamo gdje vam najviše odgovara

Nedavno je svima na usnama tema gorivnih ćelija. I to nije iznenađujuće, s pojavom ove tehnologije u svijetu elektronike, pronašla je novo rođenje. Svjetski lideri u oblasti mikroelektronike utrkuju se u predstavljanju prototipa svojih budućih proizvoda, koji će integrirati vlastite mini elektrane. To bi, s jedne strane, trebalo oslabiti vezivanje mobilnih uređaja za „utičnicu“, a s druge strane produžiti im vijek trajanja baterije.

Osim toga, neki od njih rade na bazi etanola, pa je razvoj ovih tehnologija od direktne koristi proizvođačima alkoholnih pića - za desetak godina redovi "informatičara" stoje iza sljedeće "doze" za svoje laptop će biti u redu u destileriji vina.

Ne možemo ostati podalje od "groznice" gorivnih ćelija koja je zahvatila Hi-Tech industriju, a pokušaćemo da shvatimo kakva je to zver ova tehnologija, sa čime se jede i kada treba očekivati ​​da dođe do "catering". U ovom materijalu ćemo razmotriti put kojim su prešle gorivne ćelije od trenutka kada je ova tehnologija otkrivena do danas. Pokušaćemo da procenimo i izglede za njihovu implementaciju i razvoj u budućnosti.

Kako je bilo

Princip gorivne ćelije prvi je opisao 1838. Christian Friedrich Schonbein, a godinu dana kasnije Philosophical Journal je objavio njegov članak na ovu temu. Međutim, to su bile samo teorijske studije. Prva radna gorivna ćelija ugledala je svjetlo 1843. godine u laboratoriji naučnika velškog porijekla, Sir William Robert Grove. Prilikom kreiranja, izumitelj je koristio materijale slične onima koji se koriste u modernim baterijama s fosfornom kiselinom. Nakon toga, W. Thomas Grub je poboljšao gorivu ćeliju Sir Grovea. Godine 1955. ovaj hemičar, koji je radio za legendarnu kompaniju General Electric, koristio je sulfoniranu polistirensku ionizmjenjivačku membranu kao elektrolit u gorivnoj ćeliji. Samo tri godine kasnije, njegov kolega Leonard Niedrach predložio je tehnologiju polaganja platine na membranu, koja je djelovala kao katalizator u procesu oksidacije vodika i uzimanja kisika.

"Otac" gorivnih ćelija Christian Schönbein

Ovi principi su činili osnovu nove generacije gorivnih ćelija, nazvanih "Grubb-Nidrach" elementi po njihovim tvorcima. General Electric je nastavio da se razvija u tom pravcu, u kojem je uz pomoć NASA-e i avio-giganta McDonnell Aircraft stvorena prva komercijalna gorivna ćelija. Na nova tehnologija obratio pažnju na okean. A već 1959. godine Britanac Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) predstavio je stacionarnu gorivu ćeliju snage 5 kW. Njegovi patentirani dizajni su kasnije licencirani od strane Amerikanaca i korišteni u NASA-inim svemirskim letjelicama u sistemima napajanja i napajanja. pije vodu. Iste godine je Amerikanac Harry Ihrig napravio prvi traktor na gorive ćelije (ukupne snage 15 kW). Kao elektrolit u baterijama korišćen je kalijum hidroksid, a kao reagensi komprimovani vodonik i kiseonik.

Po prvi put, proizvodnju stacionarnih gorivnih ćelija za komercijalne svrhe pokrenuo je UTC Power, koji je ponudio rezervne sisteme napajanja za bolnice, univerzitete i poslovne centre. Ova kompanija, koja je svjetski lider u ovoj oblasti, i dalje proizvodi slična rješenja snage do 200 kW. Također je glavni dobavljač gorivnih ćelija za NASA-u. Njegovi proizvodi su se široko koristili u svemirski program Apollo i još uvijek je tražen kao dio programa Space Shuttle. UTC Power također nudi gorivne ćelije "potrošačke potrošnje" za širok spektar primjena u vozilima. Ona je prva stvorila gorivu ćeliju koja omogućava primanje struje na negativnim temperaturama korištenjem membrane za izmjenu protona.

Kako radi

Istraživači su eksperimentirali s različitim supstancama kao reagensima. Međutim, osnovni principi rada gorivnih ćelija, unatoč tome, bitno se razlikuju karakteristike performansi, ostaju nepromijenjeni. Svaka gorivna ćelija je uređaj za elektrohemijsku konverziju energije. On proizvodi električnu energiju iz određene količine goriva (na strani anode) i oksidatora (na strani katode). Reakcija se odvija u prisustvu elektrolita (tvar koja sadrži slobodne ione i koja se ponaša kao električno provodljivi medij). U principu, u svakom takvom uređaju postoje neki reagensi koji ulaze u njega i njihovi produkti reakcije, koji se uklanjaju nakon što se elektrohemijska reakcija izvede. Elektrolit u ovom slučaju služi samo kao medij za interakciju reaktanata i ne mijenja se u gorivoj ćeliji. Na osnovu takve sheme, idealna gorivna ćelija bi trebala raditi sve dok postoji zaliha tvari potrebnih za reakciju.

Ovdje ne treba brkati gorive ćelije sa konvencionalnim baterijama. U prvom slučaju se potroši nešto "goriva" za proizvodnju električne energije, koju kasnije treba dopuniti. U slučaju galvanskih ćelija, električna energija se skladišti u zatvorenom hemijskom sistemu. U slučaju baterija, primjena struje omogućava da se dogodi obrnuta elektrohemijska reakcija i da se reagensi vrate u prvobitno stanje (tj. da se napune). Moguće razne kombinacije gorivo i oksidant. Na primjer, vodikova gorivna ćelija koristi vodonik i kisik (oksidacijski agens) kao reaktante. Često se ugljovodonici i alkoholi koriste kao gorivo, a zrak, hlor i hlor dioksid djeluju kao oksidanti.

Reakcija katalize koja se odvija u gorivoj ćeliji izbacuje elektrone i protone iz goriva, a pokretni elektroni formiraju električnu struju. Gorivne ćelije obično koriste platinu ili njene legure kao katalizator za ubrzavanje reakcije. Drugi katalitički proces vraća elektrone kombinirajući ih s protonima i oksidacijskim sredstvom, što rezultira stvaranjem produkta reakcije (emisije). Obično su te emisije jednostavne supstance: voda i ugljični dioksid.

U konvencionalnoj gorivnoj ćeliji s membranom za izmjenu protona (PEMFC), polimerna protonska vodljiva membrana odvaja anodne i katodne strane. Sa katodne strane, vodik difundira na anodni katalizator, gdje se elektroni i protoni zatim oslobađaju iz njega. Protoni tada prolaze kroz membranu do katode, a elektroni, nesposobni da prate protone (membrana je električno izolirana), usmjeravaju se kroz vanjsko kolo opterećenja (sistem napajanja). Na strani katodnog katalizatora, kisik reagira s protonima koji su prošli kroz membranu i elektronima koji ulaze kroz vanjski krug opterećenja. Kao rezultat ove reakcije, dobiva se voda (u obliku pare ili tekućine). Na primjer, produkti reakcija u gorivim ćelijama koje koriste ugljikovodična goriva (metanol, dizel gorivo) su voda i ugljični dioksid.

Gorivne ćelije gotovo svih vrsta pate od električnih gubitaka, uzrokovanih kako prirodnim otporom kontakata i elemenata gorive ćelije, tako i električnim prenaponom (dodatna energija potrebna za izvođenje početne reakcije). U nekim slučajevima nije moguće u potpunosti izbjeći ove gubitke, a ponekad "igra nije vrijedna svijeće", ali se najčešće mogu svesti na prihvatljiv minimum. Rješenje ovog problema je korištenje setova ovih uređaja, u kojima se gorivne ćelije, ovisno o zahtjevima za sistem napajanja, mogu povezati paralelno (veća struja) ili serijski (veći napon).

Vrste gorivnih ćelija

Postoji mnogo vrsta gorivnih ćelija, ali ćemo se ukratko zadržati na najčešćim od njih.

Alkalne gorive ćelije (AFC)

Alkalne ili alkalne gorivne ćelije, koje se nazivaju i Bacon ćelije po njihovom britanskom "ocu", jedna su od najrazvijenijih tehnologija gorivnih ćelija. Upravo su ovi uređaji pomogli čovjeku da kroči na Mjesec. Generalno, NASA koristi gorive ćelije ovog tipa od sredine 1960-ih. AFC troše vodonik i čisti kiseonik, proizvodeći pije vodu, grijanje i struja. Najviše zbog činjenice da je ova tehnologija dobro razvijena, ima jednu od najvećih stopa efikasnosti među sličnim sistemima (oko 70% potencijala).

Međutim, ova tehnologija ima i svoje nedostatke. Zbog specifičnosti korištenja tekuće alkalne tvari kao elektrolita koji ne blokira ugljični dioksid, moguće je da kalijev hidroksid (jedna od opcija za korišteni elektrolit) reagira s ovom komponentom običnog zraka. Rezultat može biti otrovno jedinjenje kalijum karbonata. Da bi se to izbjeglo, potrebno je koristiti ili čisti kisik, ili čistiti zrak od ugljičnog dioksida. Naravno, to utječe na cijenu takvih uređaja. Međutim, uprkos tome, AFC su najjeftinije gorivne ćelije za proizvodnju koje su danas dostupne.

Direktne borohidridne gorivne ćelije (DBFC)

Ovaj podtip alkalnih gorivnih ćelija koristi natrijum borohidrid kao gorivo. Međutim, za razliku od konvencionalnih vodikovih AFC-a, ova tehnologija ima jednu značajnu prednost - nema rizika od stvaranja toksičnih spojeva nakon kontakta s ugljičnim dioksidom. Međutim, proizvod njegove reakcije je supstanca boraks, koja se široko koristi u deterdžentima i sapunima. Boraks je relativno netoksičan.

DBFC se mogu napraviti čak i jeftinijim od tradicionalnih gorivnih ćelija jer ne zahtijevaju skupe platinaste katalizatore. Osim toga, imaju veću gustoću energije. Procjenjuje se da proizvodnja kilograma natrijum borhidrida košta 50 dolara, ali ako se organizira masovna proizvodnja i preradi boraks, ova šipka se može smanjiti za 50 puta.

Metal hidridne gorivne ćelije (MHFC)

Ova podklasa alkalnih gorivnih ćelija se trenutno aktivno proučava. Karakteristika ovih uređaja je sposobnost hemijskog skladištenja vodonika unutar gorivne ćelije. Direktna borohidridna gorivna ćelija ima istu sposobnost, ali za razliku od nje, MHFC je napunjen čistim vodonikom.

Među karakteristične karakteristike Ove gorive ćelije su:

• mogućnost punjenja iz električne energije;
• rad na niskim temperaturama - do -20°C;
• dugi rok trajanja;
• brzi "hladni" start;
• sposobnost rada neko vrijeme bez vanjskog izvora vodonika (za vrijeme zamjene goriva).

Unatoč činjenici da mnoge kompanije rade na stvaranju masovno proizvedenih MHFC-a, efikasnost prototipova nije dovoljno visoka u usporedbi s konkurentskim tehnologijama. Jedna od najboljih gustoća struje za ove gorivne ćelije je 250 miliampera po kvadratnom centimetru, s konvencionalnim PEMFC gorivnim ćelijama daju gustinu struje od 1 ampera po kvadratnom centimetru.

Elektro-galvanske gorivne ćelije (EGFC)

Hemijska reakcija u EGFC-u odvija se uz učešće kalijum hidroksida i kiseonika. Ovo stvara električnu struju između olovne anode i pozlaćene katode. Izlazni napon iz elektro-galvanske gorivne ćelije je direktno proporcionalan količini kiseonika. Ova karakteristika je omogućila da se EGFC široko koristi kao uređaj za testiranje kiseonika u opremi za ronjenje i medicinskoj opremi. Ali upravo zbog ove zavisnosti, gorive ćelije kalijum hidroksida imaju vrlo ograničen period efektivnog rada (sve dok je koncentracija kiseonika visoka).

Prvi certificirani EGFC testeri kisika postali su široko dostupni 2005. godine, ali tada nisu stekli veliku popularnost. Izdan dvije godine kasnije, značajno modificirani model bio je mnogo uspješniji i čak je dobio nagradu za "inovaciju" na specijaliziranoj ronilačkoj izložbi na Floridi. Trenutno ih koriste organizacije kao što su NOAA (Nacionalna uprava za oceane i atmosferu) i DDRC (Centar za istraživanje ronilačkih bolesti).

Direktne gorivne ćelije mravlje kiseline (DFAFC)

Ove gorivne ćelije su podtip PEMFC uređaja za direktnu mravlju kiselinu. Zbog svojih specifičnih karakteristika, ove gorive ćelije imaju velike šanse da postanu glavni izvor energije za prijenosnu elektroniku kao što su laptopi, Mobiteli itd.

Kao i metanol, mravlja kiselina se direktno unosi u gorivu ćeliju bez posebnog koraka prečišćavanja. Također je mnogo sigurnije čuvati ovu tvar nego, na primjer, vodonik, a osim toga, nije potrebno osigurati nikakve posebne uvjete skladištenja: mravlja kiselina je tekućina na normalnoj temperaturi. Štaviše, ova tehnologija ima dvije neosporne prednosti u odnosu na gorive ćelije s direktnim metanolom. Prvo, za razliku od metanola, mravlja kiselina ne prodire kroz membranu. Stoga bi efikasnost DFAFC-a, po definiciji, trebala biti veća. Drugo, u slučaju smanjenja pritiska mravlja kiselina nije toliko opasna (metanol može izazvati sljepoću, a uz jaku dozu i smrt).

Zanimljivo je da donedavno mnogi naučnici nisu vidjeli da ova tehnologija ima praktičnu budućnost. Razlog koji je potaknuo istraživače da stanu na kraj s mravljom kiselinom dugi niz godina bio je visok elektrohemijski prenapon, što je dovelo do značajnih električnih gubitaka. Ali rezultati nedavnih eksperimenata su pokazali da je razlog za ovu neefikasnost bila upotreba platine kao katalizatora, koja se tradicionalno široko koristila u tu svrhu u gorivnim ćelijama. Nakon što su naučnici sa Univerziteta Illinois proveli niz eksperimenata sa drugim materijalima, pokazalo se da kada se koristi paladijum kao katalizator, produktivnost DFAFC-a je veća nego kod ekvivalentnih gorivnih ćelija direktnog metanola. Trenutno su prava na ovu tehnologiju u vlasništvu američke kompanije Tekion, koja nudi svoju liniju proizvoda Formira Power Pack za mikroelektronske uređaje. Ovaj sistem je "dupleks" koji se sastoji od baterije za skladištenje i stvarne gorivne ćelije. Nakon što se potroši zaliha reagensa u kertridžu koji puni bateriju, korisnik je jednostavno zamijeni novim. Tako postaje potpuno nezavisan od "utičnice". Prema obećanjima proizvođača, vrijeme između punjenja će se udvostručiti, uprkos činjenici da će tehnologija koštati samo 10-15% više od konvencionalnih baterija. Jedina velika prepreka ovoj tehnologiji može biti to što je podržava kompanija srednja klasa i jednostavno ga mogu "preplaviti" konkurenti većeg obima koji predstavljaju svoje tehnologije, koje čak mogu biti inferiorne od DFAFC-a u nizu parametara.

Direktne gorive ćelije metanola (DMFC)

Ove gorivne ćelije su podskup membranskih uređaja za izmjenu protona. Oni koriste metanol koji se puni u gorivu ćeliju bez dodatno čišćenje. Međutim, metil alkohol se mnogo lakše skladišti i nije eksplozivan (iako je zapaljiv i može uzrokovati sljepoću). Istovremeno, energetski kapacitet metanola je znatno veći od kapaciteta komprimovanog vodonika.

Međutim, zbog činjenice da metanol može da perkolira kroz membranu, efikasnost DMFC-a s velikim količinama goriva je niska. Iako iz tog razloga nisu pogodni za transport i velike instalacije, ovi uređaji su odlični kao zamjena baterija za mobilne uređaje.

Prerađene gorive ćelije u metanolu (RMFC)

Prerađene gorivne ćelije u metanolu razlikuju se od DMFC samo po tome što pretvaraju metanol u vodonik i ugljični dioksid prije proizvodnje električne energije. To se događa u posebnom uređaju koji se zove procesor goriva. Nakon ove preliminarne faze (reakcija se izvodi na temperaturi iznad 250°C), vodik prolazi kroz reakciju oksidacije koja rezultira stvaranjem vode i struje.

Upotreba metanola u RMFC-u je zbog činjenice da je prirodni nosač vodika, a na dovoljno niskoj temperaturi (u poređenju s drugim tvarima) može se razložiti na vodik i ugljični dioksid. Stoga je ova tehnologija naprednija od DMFC. Prerađene gorive ćelije u metanolu su efikasnije, kompaktnije i rade na temperaturama ispod nule.

Direktne gorive ćelije etanola (DEFC)

Još jedan predstavnik klase gorivnih ćelija sa rešetkom za izmjenu protona. Kao što naziv govori, etanol ulazi u gorivu ćeliju zaobilazeći faze dodatnog pročišćavanja ili razlaganja u jednostavnije tvari. Prva prednost ovih uređaja je upotreba etil alkohol umjesto toksičnog metanola. To znači da ne morate ulagati mnogo novca u razvoj ovog goriva.

Gustoća energije alkohola je približno 30% veća od one u metanolu. Osim toga, može se dobiti u velikim količinama iz biomase. Kako bi se smanjili troškovi gorivnih ćelija etanola, postoji aktivna potraga za alternativnim materijalom katalizatora. Platina, koja se tradicionalno koristi u gorivnim ćelijama u ove svrhe, preskupa je i predstavlja značajnu prepreku masovnom usvajanju ovih tehnologija. Rješenje ovog problema mogu biti katalizatori napravljeni od mješavine željeza, bakra i nikla, koji pokazuju impresivne rezultate u eksperimentalnim sistemima.

Cink-zračne gorivne ćelije (ZAFC)

ZAFC koristi oksidaciju cinka kisikom iz zraka za proizvodnju električne energije. Ove gorive ćelije su jeftine za proizvodnju i pružaju prilično visoku gustoću energije. Trenutno se koriste u slušnim pomagalima i eksperimentalnim električnim automobilima.

Na anodnoj strani nalazi se mješavina čestica cinka s elektrolitom, a na strani katode voda i kisik iz zraka, koji međusobno reagiraju i tvore hidroksil (njegova molekula je atom kisika i atom vodika, između kojih su postoji kovalentna veza). Kao rezultat reakcije hidroksila sa smjesom cinka, oslobađaju se elektroni koji idu na katodu. Maksimalni napon koji takve gorivne ćelije proizvode je 1,65 V, ali se u pravilu umjetno smanjuje na 1,4–1,35 V, ograničavajući pristup zraka sistemu. Krajnji proizvodi ove elektrohemijske reakcije su cink oksid i voda.

Ovu tehnologiju je moguće koristiti i u baterijama (bez punjenja) iu gorivim ćelijama. U potonjem slučaju, komora na anodnoj strani se čisti i ponovo puni cinkovom pastom. Općenito, ZAFC tehnologija se pokazala kao jednostavne i pouzdane baterije. Njihova neosporna prednost je mogućnost kontrole reakcije samo podešavanjem dovoda zraka u gorivu ćeliju. Mnogi istraživači razmatraju cink-vazdušne gorive ćelije kao budući glavni izvor energije za električna vozila.

Mikrobne gorivne ćelije (MFC)

Ideja o korištenju bakterija za dobrobit čovječanstva nije nova, iako je tek nedavno došlo do realizacije ovih ideja. Trenutno se aktivno proučava pitanje komercijalne upotrebe biotehnologije za proizvodnju različitih proizvoda (na primjer, proizvodnja vodika iz biomase), neutralizacija štetnih tvari i proizvodnja električne energije. Mikrobne gorivne ćelije, koje se nazivaju i biološke gorivne ćelije, su biološki elektrohemijski sistem koji generiše električnu energiju upotrebom bakterija. Ova tehnologija se zasniva na katabolizmu (razgradnji složene molekule u jednostavniju uz oslobađanje energije) supstanci kao što su glukoza, acetat (sol sirćetne kiseline), butirat (sol maslačne kiseline) ili otpadne vode. Zbog njihove oksidacije oslobađaju se elektroni koji se prenose na anodu, nakon čega generirana električna struja teče kroz provodnik do katode.

U takvim gorivnim ćelijama, medijatori se obično koriste za poboljšanje permeabilnosti elektrona. Problem je što su supstance koje imaju ulogu medijatora skupe i toksične. Međutim, u slučaju korištenja elektrohemijski aktivnih bakterija, nema potrebe za medijatorima. Takve mikrobne gorivne ćelije "bez odašiljača" počele su se stvarati sasvim nedavno, i stoga, daleko od toga da su sva njihova svojstva dobro proučena.

Uprkos preprekama koje MFC tek treba da savlada, ova tehnologija ima ogroman potencijal. Prvo, "gorivo" nije teško pronaći. Štaviše, danas je pitanje tretmana otpadnih voda i zbrinjavanja velikog broja otpada veoma akutno. Primjena ove tehnologije mogla bi riješiti oba ova problema. Drugo, teoretski njegova efikasnost može biti vrlo visoka. Glavni problem za inženjere mikrobnih gorivnih ćelija su, a zapravo i najvažniji element ovog uređaja, mikrobi. I dok se mikrobiolozi, koji dobijaju brojne stipendije za istraživanja, raduju, pisci naučne fantastike također trljaju ruke u iščekivanju uspjeha knjiga o posljedicama “objavljivanja” pogrešnih mikroorganizama. Naravno, postoji rizik da se iznese nešto što bi "svarilo" ne samo nepotreban otpad, već i nešto vrijedno. Dakle, u principu, kao i kod svake nove biotehnologije, ljudi su oprezni prema ideji da u džepu nose kutiju zaraženu bakterijama.

Aplikacija

Stacionarne kućne i industrijske elektrane

Gorivne ćelije se široko koriste kao izvori energije u različitim autonomnim sistemima, kao što su svemirske letjelice, udaljene meteorološke stanice, vojne instalacije itd. Glavna prednost ovakvog sistema napajanja je njegova izuzetno visoka pouzdanost u odnosu na druge tehnologije. Zbog odsustva pokretnih dijelova i bilo kakvih mehanizama u gorivnim ćelijama, pouzdanost sistema napajanja može doseći 99,99%. Osim toga, u slučaju korištenja vodonika kao reagensa može se postići vrlo mala težina, što je jedan od najvažnijih kriterija u slučaju svemirske opreme.

U posljednje vrijeme sve su rasprostranjenije kombinirane instalacije za grijanje i energiju, koje se široko koriste u stambenim zgradama i uredima. Posebnost ovih sistema je u tome što konstantno proizvode električnu energiju, koja se, ako se ne potroši odmah, koristi za zagrijavanje vode i zraka. Unatoč činjenici da je električna efikasnost takvih instalacija samo 15-20%, ovaj nedostatak nadoknađuje se činjenicom da se neiskorištena električna energija koristi za proizvodnju topline. Generalno, energetska efikasnost ovakvih kombinovanih sistema je oko 80%. Jedan od najboljih reagensa za takve gorive ćelije je fosforna kiselina. Ove jedinice pružaju energetsku efikasnost od 90% (35-50% električne energije, a ostatak toplotne energije).

Transport

Energetski sistemi zasnovani na gorivim ćelijama takođe se široko koriste u transportu. Inače, Nemci su među prvima ugradili gorivne ćelije na vozila. Tako je prvi komercijalni brod na svijetu opremljen takvom postavom debitirao prije osam godina. Ovaj mali brod, nazvan "Hydra" i dizajniran za prevoz do 22 putnika, porinut je u blizini bivše prijestolnice Njemačke u junu 2000. godine. Vodonik (alkalna gorivna ćelija) djeluje kao reagens koji nosi energiju. Zahvaljujući upotrebi alkalnih (alkalnih) gorivnih ćelija, instalacija je u stanju da generiše struju na temperaturama do -10°C i ne "plaši" se slane vode. Čamac "Hydra", pokretan elektromotorom od 5 kW, može postići brzinu do 6 čvorova (oko 12 km/h).

Brod "Hydra"

Gorivne ćelije (posebno na vodonik) postale su mnogo raširenije u kopnenom transportu. Općenito, vodonik se već dugo koristi kao gorivo za automobilske motore, a u principu se konvencionalni motor s unutrašnjim sagorijevanjem može lako pretvoriti u korištenje ovog alternativnog goriva. Međutim, konvencionalno sagorevanje vodonika je manje efikasno od proizvodnje električne energije hemijskom reakcijom između vodonika i kiseonika. A idealno bi bilo da će vodonik, ako se koristi u gorivnim ćelijama, biti apsolutno bezbedan za prirodu ili, kako kažu, „prijateljski prema okolini“, budući da se u hemijskoj reakciji koja dodiruje „staklenik“ ne oslobađa ugljični dioksid niti druge tvari. efekat".

Istina, ovdje, kao što se i očekivalo, postoji nekoliko velikih "ali". Činjenica je da mnoge tehnologije za proizvodnju vodika iz neobnovljivih izvora (prirodni plin, ugalj, naftni proizvodi) nisu toliko ekološki prihvatljive, jer se u njihovom procesu oslobađa velika količina ugljičnog dioksida. Teoretski, ako se za dobijanje koriste obnovljivi izvori, onda uopšte neće biti štetnih emisija. Međutim, u ovom slučaju trošak se značajno povećava. Prema mišljenju mnogih stručnjaka, iz ovih razloga potencijal vodonika kao zamjene za benzin ili prirodni plin je vrlo ograničen. Već postoje jeftinije alternative, a najvjerovatnije gorivne ćelije na prvom elementu periodnog sistema neće moći postati masovna pojava u vozilima.

Proizvođači automobila prilično aktivno eksperimentišu s vodikom kao izvorom energije. A glavni razlog za to je prilično teška pozicija EU u odnosu na štetne emisije u atmosferu. Potaknuti sve strožim ograničenjima u Evropi, Daimler AG, Fiat i Ford Motor Company su predstavili svoju viziju budućnosti gorivnih ćelija u automobilskoj industriji, opremajući svoje osnovne modele sličnim pogonskim sklopovima. Još jedan evropski auto gigant, Volkswagen, trenutno priprema svoje vozilo na gorive ćelije. Japanske i južnokorejske firme ne zaostaju za njima. Međutim, ne klade se svi na ovu tehnologiju. Mnogi ljudi radije modificiraju motore s unutarnjim sagorijevanjem ili ih kombiniraju s električnim motorima na baterije. Toyota, Mazda i BMW su slijedili ovaj put. Što se tiče američkih kompanija, pored Forda sa svojim modelom Focus, General Motors je predstavio i nekoliko vozila na gorive ćelije. Sve ove poduhvate aktivno podstiču mnoge države. Na primjer, u Sjedinjenim Državama postoji zakon prema kojem je novi hibridni automobil koji ulazi na tržište oslobođen poreza, što može biti prilično pristojno, jer su takvi automobili po pravilu skuplji od svojih pandana s tradicionalnim unutarnjim sagorijevanjem. motori. Tako hibridi kao kupovina postaju još privlačniji. Međutim, za sada se ovaj zakon odnosi samo na modele koji ulaze na tržište dok ne dostignu nivo prodaje od 60.000 automobila, nakon čega se pogodnosti automatski ukidaju.

Elektronika

U novije vrijeme, gorive ćelije se sve više koriste u prijenosnim računalima, mobilnim telefonima i drugim mobilnim elektronskim uređajima. Razlog za to je brzo rastuća proždrljivost uređaja dizajniranih za dugo trajanje baterije. Kao rezultat upotrebe velikih ekrana osjetljivih na dodir u telefonima, moćnih audio mogućnosti i uvođenja podrške za Wi-Fi, Bluetooth i druge visokofrekventne bežične komunikacijske protokole, promijenili su se i zahtjevi za kapacitetom baterije. I, iako su baterije daleko odmakle od vremena prvih mobitela, po kapacitetu i kompaktnosti (inače danas navijači ne bi smjeli na stadione s ovim oružjem s komunikacijskom funkcijom), još uvijek ne idu u korak. sa minijaturizacijom elektronskih kola, niti sa željom, proizvođači ugrađuju sve više karakteristika u svoje proizvode. Još jedan značajan nedostatak trenutnih baterija je njihovo dugo vrijeme punjenja. Sve dovodi do toga da što više funkcija u telefonu ili džepnom multimedijalnom plejeru dizajniranih da povećaju autonomiju svog vlasnika (bežični internet, navigacioni sistemi itd.), to ovaj uređaj postaje sve ovisniji o „utičnici“.

Nema šta da se kaže o laptopima koji su mnogo manji od onih ograničenih maksimalnih veličina. Odavno se formirala niša ultra efikasnih laptopa, koji uopće nisu namijenjeni za autonomni rad, osim za takav transfer iz jedne kancelarije u drugu. Čak se i najisplativiji članovi svijeta laptopa bore da isporuče cijeli dan trajanja baterije. Stoga je pitanje pronalaženja alternative tradicionalnim baterijama, koje ne bi bile skuplje, ali i mnogo efikasnije, veoma akutno. A vodeći predstavnici industrije u posljednje vrijeme rješavaju ovaj problem. Ne tako davno uvedene su komercijalne metanolne gorive ćelije, čije masovne isporuke mogu početi već sljedeće godine.

Istraživači su iz nekog razloga odabrali metanol umjesto vodonika. Mnogo je lakše skladištiti metanol, jer ne zahtijeva visok pritisak ili posebne temperaturne uslove. Metil alkohol je tečnost na temperaturi od -97,0°C do 64,7°C. U isto vrijeme, specifična energija sadržana u N-tom volumenu metanola je za red veličine veća nego u istoj zapremini vodika pod visokog pritiska. Tehnologija gorivih ćelija direktnog metanola, koja se široko koristi u mobilnim elektronskim uređajima, uključuje upotrebu metil alkohol nakon jednostavnog punjenja rezervoara gorive ćelije zaobilazeći postupak katalitičke konverzije (otuda naziv "direktni metanol"). Ovo je također velika prednost ove tehnologije.

Međutim, kao što se i očekivalo, svi ovi plusi imali su svoje minuse, što je značajno ograničilo obim njegove primjene. S obzirom na to da ova tehnologija još uvijek nije u potpunosti razvijena, ostaje neriješen problem niske efikasnosti ovakvih gorivnih ćelija uzrokovanih "curenjem" metanola kroz materijal membrane. Osim toga, nemaju impresivne dinamičke karakteristike. Nije lako odlučiti što učiniti s ugljičnim dioksidom proizvedenim na anodi. Moderni DMFC uređaji nisu u stanju da generišu veliku energiju, ali imaju veliki energetski kapacitet za malu količinu materije. To znači da iako mnogo energije još nije dostupno, direktne gorivne ćelije metanola mogu je stvarati dugo vremena. To im ne dozvoljava da nađu direktnu upotrebu u vozilima zbog njihove male snage, ali ih čini gotovo idealnim rješenjem za mobilne uređaje za koje je vijek trajanja baterije kritičan.

Najnoviji trendovi

Iako se gorivne ćelije za vozila proizvode već duže vrijeme, do sada ova rješenja nisu postala rasprostranjena. Postoji mnogo razloga za to. A glavne su ekonomska nesvrsishodnost i nespremnost proizvođača da pokrenu proizvodnju pristupačnog goriva. Pokušaji forsiranja prirodnog procesa prelaska na obnovljive izvore energije, kako se moglo očekivati, nisu doveli do ničega dobrog. Naravno, razlog naglog rasta cijena poljoprivrednih proizvoda prilično se krije ne u činjenici da su oni počeli masovno da se pretvaraju u biogoriva, već u činjenici da mnoge zemlje u Africi i Aziji nisu u stanju proizvesti dovoljno proizvoda. čak i za zadovoljenje domaće potražnje za proizvodima.

Očigledno, odbijanje upotrebe biogoriva neće dovesti do značajnog poboljšanja situacije na svjetskom tržištu hrane, ali, naprotiv, može pogoditi europske i američke poljoprivrednike, koji su prvi put nakon mnogo godina dobili prilika da dobro zaradite. Ali ne može se otpisati etički aspekt ovog pitanja, ružno je puniti "hleb" u rezervoare kada milioni ljudi gladuju. Stoga će evropski političari sada biti hladniji prema biotehnologiji, što već potvrđuje i revizija strategije za prelazak na obnovljive izvore energije.

U ovoj situaciji, mikroelektronika bi trebala postati polje primjene gorivnih ćelija koje najviše obećava. Ovdje gorive ćelije imaju najveće šanse da se učvrste. Prvo, ljudi koji kupuju mobilne telefone su spremniji da eksperimentišu od, recimo, kupaca automobila. I drugo, spremni su potrošiti novac i, po pravilu, nisu skloni "spasavanju svijeta". Ovo može potvrditi veliki uspeh crvena "Bono" verzija iPod Nano, od čije je prodaje dio novca otišao Crvenom krstu.

"Bono" verzija Apple iPod Nano

Među onima koji su skrenuli pažnju na gorivne ćelije za prijenosnu elektroniku su kompanije koje su se ranije specijalizirale za izradu gorivnih ćelija, a sada jednostavno otvorile novo područje za njihovu primjenu, kao i vodeći proizvođači mikroelektronike. Na primjer, nedavno je MTI Micro, koji je prenamijenio svoj posao na proizvodnju metanolnih gorivnih ćelija za mobilne elektronske uređaje, najavio da će početi masovnu proizvodnju 2009. godine. Ona je također predstavila prvi svjetski GPS uređaj s gorivnim ćelijama na metanolu. Prema riječima predstavnika ove kompanije, u bliskoj budućnosti njeni proizvodi će u potpunosti zamijeniti tradicionalne litijum-jonske baterije. Istina, u početku neće biti jeftini, ali ovaj problem prati svaku novu tehnologiju.

Za kompaniju kao što je Sony, koja je nedavno pokazala svoju DMFC varijantu uređaja sa medijskim pogonom, ove tehnologije su nove, ali su ozbiljne da se ne izgube na obećavajućem novom tržištu. Zauzvrat, Sharp je otišao još dalje i sa svojim prototipom gorive ćelije nedavno postavio svjetski rekord za specifični energetski kapacitet od 0,3 vata po kubnom centimetru metanola. Čak su i vlade mnogih zemalja upoznale kompanije koje proizvode ove gorive ćelije. Tako su aerodromi u SAD-u, Kanadi, Velikoj Britaniji, Japanu i Kini, uprkos toksičnosti i zapaljivosti metanola, ukinuli dosadašnja ograničenja za njegov transport u kabini. Naravno, ovo je dozvoljeno samo za certificirane gorivne ćelije s maksimalnim kapacitetom od 200 ml. Ipak, ovo još jednom potvrđuje interesovanje za ova dešavanja ne samo entuzijasta, već i država.

Istina, proizvođači još uvijek pokušavaju igrati na sigurno i nude gorivne ćelije uglavnom kao rezervni sistem napajanja. Jedno od takvih rješenja je kombinacija gorivne ćelije i baterije: dok ima goriva, ona stalno puni bateriju, a nakon što se isprazni, korisnik jednostavno zamijeni prazan uložak novom posudom metanola. Još jedan popularan trend je stvaranje punjači na gorivim ćelijama. Mogu se koristiti u pokretu. Istovremeno, mogu vrlo brzo puniti baterije. Drugim riječima, u budućnosti će možda svako nositi takvu "utičnicu" u džepu. Ovaj pristup može biti posebno relevantan u slučaju mobilnih telefona. Zauzvrat, laptopi bi u doglednoj budućnosti mogli dobiti ugrađene gorivne ćelije, koje, ako ne u potpunosti zamjenjuju punjenje iz "utičnice", onda barem postanu ozbiljna alternativa.

Tako će, prema prognozi najveće njemačke hemijske kompanije BASF, koja je nedavno najavila početak izgradnje svog centra za razvoj gorivnih ćelija u Japanu, do 2010. godine tržište ovih uređaja iznositi milijardu dolara. Istovremeno, njeni analitičari predviđaju rast tržišta gorivnih ćelija na 20 milijardi dolara do 2020. godine. Inače, u ovom centru BASF planira razvoj gorivih ćelija za prijenosnu elektroniku (posebno laptope) i stacionarne energetske sisteme. Mesto za ovo preduzeće nije slučajno izabrano - glavni kupci ovih tehnologija Njemačka kompanija vidi lokalne firme.

Umjesto zaključka

Naravno, od gorivnih ćelija ne treba očekivati ​​da će one postati zamjena za postojeći sistem napajanja. Barem u doglednoj budućnosti. Ovo je mač sa dvije oštrice: prijenosne elektrane su svakako efikasnije, zbog nepostojanja gubitaka povezanih s isporukom električne energije potrošaču, ali također vrijedi uzeti u obzir da mogu postati ozbiljan konkurent centraliziranom opskrbi električnom energijom. sistem samo ako se stvori centralizovani sistem snabdevanja gorivom za ove instalacije. Odnosno, "utičnicu" bi na kraju trebala zamijeniti određena cijev koja opskrbljuje potrebne reagense svakoj kući i svakom kutku. A to nije sasvim ista sloboda i nezavisnost od eksternih izvora struje, o kojoj govore proizvođači gorivnih ćelija.

Ovi uređaji imaju neospornu prednost u vidu brzine punjenja - jednostavno sam promijenio metanolnu kartušu (u ekstremnim slučajevima otčepio Jack Danielov trofej) u kameri, i opet preskakao stepenicama Luvra.S druge strane, ako, recimo, običan telefon se puni dva sata i zahtijevat će punjenje svaka 2-3 dana, onda je malo vjerovatno da će alternativa u vidu zamjene kertridža koji se prodaje samo u specijaliziranim trgovinama, čak i jednom u dvije sedmice, biti toliko u potražnje od strane masovnog korisnika.Ako hermetički kontejner od par stotina mililitara goriva stigne do krajnjeg potrošača, njegova cijena će imati vremena da značajno poraste.Samo će obim proizvodnje moći da se izbori sa ovim poskupljenjem, ali će Ova skala biti tražena na tržištu?I dok se ne odabere optimalna vrsta goriva biće vrlo teško riješiti ovaj problem.problematično.

S druge strane, kombinacija tradicionalnog plug-in punjenja, gorivnih ćelija i drugih alternativnih sistema za napajanje energijom (npr. solarni paneli) može biti rješenje za problem diverzifikacije izvora energije i prelaska na ekološke tipove. Međutim, za određenu grupu elektroničkih proizvoda gorivne ćelije mogu se široko koristiti. To potvrđuje i činjenica da je Canon nedavno patentirao vlastite gorive ćelije za digitalne fotoaparate i najavio strategiju za ugradnju ovih tehnologija u svoja rješenja. Što se tiče laptopa, ako ih gorive ćelije stignu u bliskoj budućnosti, onda najvjerovatnije samo kao rezervni sistem napajanja. Sada, na primjer, uglavnom govorimo o eksternim modulima za punjenje koji su dodatno povezani na laptop.

Ali ove tehnologije imaju velike izglede za razvoj dugoročno. Naročito u svjetlu opasnosti od naftne gladi, koja bi se mogla dogoditi u narednih nekoliko decenija. U tim uslovima nije važnije čak ni koliko će jeftina biti proizvodnja gorivnih ćelija, već kolika će biti proizvodnja goriva za njih bez obzira na petrohemijsku industriju i da li će ona moći da pokrije potrebe za njom.

Nissanova vodonična gorivna ćelija

Mobilna elektronika se svake godine poboljšava, postaje sve raširenija i pristupačnija: PDA uređaji, laptopovi, mobilni i digitalni uređaji, foto ramovi, itd. veličina.. Tehnologije napajanja, za razliku od poluvodičke tehnologije, ne idu skokovima i granicama.

Dostupne baterije i akumulatori za napajanje dostignuća industrije postaju nedovoljni, pa je pitanje alternativnih izvora veoma akutno. Gorivne ćelije su daleko najperspektivniji smjer. Princip njihovog rada otkrio je davne 1839. William Grove, koji je proizveo električnu energiju mijenjajući elektrolizu vode.

Video: Dokumentarac, gorive ćelije za transport: prošlost, sadašnjost, budućnost

Gorivne ćelije interesuju proizvođače automobila, a za njih su zainteresovani i kreatori. svemirski brodovi. Godine 1965. čak ih je Amerika testirala na Gemini 5 lansiranom u svemir, a kasnije i na Apollu. Milioni dolara se ulažu u istraživanja gorivih ćelija i danas, kada postoje problemi povezani sa zagađenjem životne sredine, povećanjem emisije gasova staklene bašte iz sagorevanja fosilnih goriva, čije rezerve takođe nisu beskonačne.

Gorivna ćelija, koja se često naziva i elektrohemijski generator, radi na način opisan u nastavku.

Biti, kao i akumulatori i baterije, galvanska ćelija, ali s tom razlikom što se aktivne tvari u njoj pohranjuju odvojeno. Dolaze do elektroda kako se koriste. Na negativnoj elektrodi sagorijeva prirodno gorivo ili bilo koja tvar dobivena iz njega, koja može biti plinovita (na primjer, vodik i ugljični monoksid) ili tečna, poput alkohola. Na pozitivnoj elektrodi, u pravilu, reagira kisik.

Ali princip rada koji izgleda jednostavno nije lako pretočiti u stvarnost.

DIY gorivne ćelije

Video: DIY vodonične gorivne ćelije

Nažalost, nemamo fotografije kako bi ovaj goriv element trebao izgledati, nadamo se vašoj mašti.

Gorivna ćelija male snage vlastitim rukama može se napraviti čak iu školskoj laboratoriji. Morate se opskrbiti starom gas maskom, nekoliko komada pleksiglasa, lugom i vodeni rastvor etil alkohol (jednostavnije, votka), koji će služiti kao "gorivo" za gorivnu ćeliju.

Prije svega, potrebno vam je kućište za gorivnu ćeliju, koje je najbolje napraviti od pleksiglasa, debljine najmanje pet milimetara. Unutrašnje pregrade (pet pregrada iznutra) mogu se napraviti malo tanje - 3 cm. Za lijepljenje pleksiglasa koristi se ljepilo sljedećeg sastava: šest grama čipsa od pleksiglasa se otopi u sto grama hloroforma ili dihloroetana (rade ispod haube). ).

U vanjskom zidu sada je potrebno izbušiti rupu u koju kroz gumeni čep treba umetnuti odvodnu staklenu cijev promjera 5-6 centimetara.

Svi znaju da se u periodnom sistemu u donjem lijevom uglu nalaze najaktivniji metali, a metaloidi visoke aktivnosti su u tabeli u gornjem desnom uglu, tj. sposobnost doniranja elektrona povećava se odozgo prema dolje i s desna na lijevo. Elementi koji se pod određenim uslovima mogu manifestovati kao metali ili metaloidi nalaze se u centru tabele.

Sada sipamo u drugi i četvrti pretinac iz gas maske Aktivni ugljen(između prve pregrade i druge, kao i treće i četvrte), koje će djelovati kao elektrode. Kako se ugalj ne bi izlio kroz rupice, može se staviti u najlonsku tkaninu (dostat će ženske najlonske čarape). AT

Gorivo će cirkulisati u prvoj komori, u petoj bi trebalo da postoji snabdevač kiseonikom - vazduh. Između elektroda će biti elektrolit, a kako bi se spriječilo njegovo curenje u zračnu komoru potrebno ga je natopiti otopinom parafina u benzinu (omjer 2 grama parafina na pola čaše benzina) prije punjenja četvrte komore ugljem za vazdušni elektrolit. Na sloj uglja potrebno je staviti (blago pritiskanje) bakrene ploče na koje su zalemljene žice. Preko njih će se struja preusmjeriti sa elektroda.

Ostaje samo napuniti element. Za to je potrebna votka, koja se mora razrijediti vodom u omjeru 1: 1. Zatim pažljivo dodajte trista do tri stotine i pedeset grama kaustičnog kalijuma. Za elektrolit, 70 grama kaustičnog kalijuma rastvoreno je u 200 grama vode.

Gorivna ćelija je spremna za testiranje. Sada morate istovremeno sipati gorivo u prvu komoru, a elektrolit u treću. Voltmetar pričvršćen na elektrode trebao bi pokazati od 07 volti do 0,9. Da bi se osigurao kontinuirani rad elementa, potrebno je isprazniti istrošeno gorivo (iscijediti u čašu) i dodati novo gorivo (kroz gumenu cijev). Brzina pomaka se kontrolira stiskanjem cijevi. Ovako izgleda rad gorivne ćelije u laboratorijskim uslovima, čija je snaga razumljivo mala.

Video: Goriva ćelija ili vječna baterija kod kuće

Da bi snaga bila veća, naučnici već dugo rade na ovom problemu. Gorivne ćelije metanola i etanola nalaze se na čeliku za aktivni razvoj. Ali, nažalost, do sada ne postoji način da se oni provedu u praksi.

Zašto je gorivna ćelija odabrana kao alternativni izvor energije

Kao alternativni izvor energije odabrana je gorivna ćelija, budući da je krajnji proizvod sagorijevanja vodonika u njoj voda. Problem je samo u pronalaženju jeftinog i efikasnog načina za proizvodnju vodonika. Kolosalna sredstva uložena u razvoj generatora vodonika i gorivnih ćelija ne mogu ne uroditi plodom tehnološki proboj i njihova stvarna upotreba u svakodnevnom životu, samo je pitanje vremena.

Već danas čudovišta automobilske industrije: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstriraju autobuse i automobile koji rade na gorive ćelije snage do 50 kW. Ali, problemi vezani za njihovu sigurnost, pouzdanost, trošak - još nisu riješeni. Kao što je već spomenuto, za razliku od tradicionalnih izvora energije - baterija i baterija, u ovom slučaju, oksidant i gorivo se napajaju izvana, a gorivna ćelija je samo posrednik u tekućoj reakciji sagorijevanja goriva i pretvaranja oslobođene energije u električnu energiju. . „Sagorevanje“ se javlja samo ako element isporučuje struju na opterećenje, poput dizel generatora, ali bez generatora i dizela, kao i bez buke, dima i pregrijavanja. Istovremeno, efikasnost je mnogo veća, jer nema međumehanizma.

Video: Automobil na vodikove gorive ćelije

Velike nade polažu se u upotrebu nanotehnologija i nanomaterijala, što će pomoći u minijaturizaciji gorivnih ćelija, uz povećanje njihove snage. Bilo je izvještaja da su stvoreni ultra efikasni katalizatori, kao i dizajni gorivih ćelija koji nemaju membrane. U njima se, zajedno s oksidatorom, elementu dovodi gorivo (na primjer, metan). Zanimljiva su rješenja gdje se kao oksidant koristi kiseonik rastvoren u vodi, a kao gorivo se koriste organske nečistoće koje se nakupljaju u zagađenim vodama. To su takozvane ćelije za biogorivo.

Gorivne ćelije, prema mišljenju stručnjaka, mogu ući na masovno tržište u narednim godinama