Последниве години многу често се слуша изразот „горивни ќелии“ (на англиски fuel cells) како еден од начините за добивање чиста енергија, но ретко кој има точна претстава за тоа како работат.
Горивните ќелии генерираат енергија преку процес кој е обратен од електролиза. Имено, во горивните ќелии, со електрохемиски процес, од гориво богато со водород, обично природен гас или метанол, се издвојува водородот, кој во комбинација со кислород произведува енергија и вода. Така, наместо горивото да се согорува, со ефикасна електрохемиска постапка од него се добива енергија.
Основната разлика меѓу горивните ќелии и батериите е тоа што ни горивото ни оксидационата супстанција не се интегрален дел од ќелијата, туку нивното снабдување се прави по потреба на потрошувачот, додека отпадните материи непрекинато се отстрануваат. Бидејќи горивото кое се доведува на анода содржи голема количина на водород, а на катодата се доведува кислород, отпадната материја е чиста вода.
Горивните ќелии имаат малку подвижни делови и произведуваат многу мала количина на отпадни гасови и топлина. Од конструкциска гледна точка, горивните ќелии се состојат од неколку клучни компоненти: анода, на која се доведува горивото, катода, на која се доведува оксидационата супстанција (кислород), полупроводничка мембрана, катализатор и електролит кој овозможува проток на јоните од анодата кон катодата, но не и електрони и реактанти. Хемиската реакција која се одвива во горивната ќелија е слична на согорување, но бидејќи реактантите просторно се одвоени, протокот на електрони кој спонтано тече од горивото кон кислородот е запрен и насочен кон надворешното коло.
Бидејќи една горивна ќелија дава напон од околу 1 волт, со цел добивање поголем напон, ќелиите се врзуваат сериски, а топлината која притоа со ослободува може да се искористи во различни цели, што дава можност за комбинирање на горивните ќелии со генераторите на електрична и топлинска енергија во индустријата и станбените објекти.
Како и системите со согорување, и горивните ќелии можат да користат различни видови на гориво како природен гас, метанол, нафта или јаглен. Притоа, овие горива мора претходно да се доведат во погодна хемиска состојба со збогатување со водород. Горивните ќелии исто така можат да користат водород добиен со електролиза на водата користејќи помошни извори на електрична енергија, како што се фотонапонски ќелии или ветерни турбини.
Горивните ќелии имаат неколку предности: голем број на ќелии можат да се групираат во пакети со различни димензии, лесно можат да се инсталираат заради скоро занемарливото влијание на околината, потребно е минимално одржување и можат да користат разни горива кои лесно се прилагодуваат. Дополнително, се одликуваат со струјно-напонска реактивна контрола, можност за брз старт на системот, не е потребен надзор итн.
Постојат четири типа на горивни ќелии и тие се разликуваат по видот на електролит. Еден од најинтересните типови на горивни ќелии се ПЕМ ќелии (proton exchange membrane или polymer electrolyte membrane горивни ќелии). ПЕМ ќелиите имаат релативно ниска работна температура од 80°C до 200°C, со ефикаснот до 60%. Деншниот степен на развој овозможува нивна примена во автомобилската, енергетската и градежната индустрија, како и во помали размери на пример за преносни уреди. Јоните на водородот поминуваат низ мембраната која претставува тенка пластична плоча, од двете страни обложена со слој од метални честички (најчесто платина) кои претставуваат активни катализатори. Електролитот е обично полимерна органска киселина во тврда состојба. Водородот се доведува на анодата каде катализаторот овозможува ослободување на електрони, кои во форма на електрична струја течат кон катодата, на која се доведува кислород. Електроните течат низ надворешното коло од анода кон катода, бидејќи мембраната е пластична и не спроведува електрична струја. Тоа е всушност струјата која се употребува, слично како кај батериите. Јоните на водородот (протони) добиени со отстранувањето на електроните, се придвижуваат низ мембраната кон катодата, каде се врзуваат со кислородот, создавајќи вода и затворајќи го циклусот. Овој тип на ќелии имаат излезна моќност од 50 до 250 kW. Системот за генерирање на електрична енергија се состои од пакет горивни ќелии, потсистем за регулација на гориво и воздух, потсистем за регулација на топлината, регулатор за вода, како и контролен систем. Системот се става во погон со само едно притискање на копче и електрична енергија почнува да се генерира во рок од 5 секунди. Системите со ПЕМ горивни ќелии се веќе испробани и се користат во некои автомобили и автобуси, а направени се и електроцентрали кои користат огромен број на ќелии – од неколку стотина до неколку илјади.