Κυψέλες Καυσίμου

Share this

September 7, 2011

Last updated: 30/09/2017, 3 min read

Fuel Cell


Γενικά


Η κυψέλη καυσίμου (fuel cell) είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή, η οποία μετατρέπει τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική και θερμότητα χωρίς καύση. Καταναλώνει το καύσιμο όπως μια συνηθισμένη μηχανή και παράγει ηλεκτρικό ρεύμα όπως μια μπαταρία. Ως καύσιμο χρησιμοποιείται συνήθως το υδρογόνο, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το φυσικό αέριο, καθώς και η μεθανόλη. Η συσκευή αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια – την άνοδο και την κάθοδο – και τον ηλεκτρολύτη. O ηλεκτρολύτης βρίσκεται μεταξύ των ηλεκτροδίων και έχει την ιδιότητα να επιτρέπει τη διέλευση των ιόντων και να εμποδίζει τη δίοδο των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόδια αποτελούνται από πορώδες υλικό και απορροφούν τα αέρια,  δηλαδή το υδρογόνο και το οξυγόνο.
   
Συγκριτικά με μία θερμική μηχανή είναι πιο αποτελεσματική, γιατί δεν καταναλώνει μηχανική ενέργεια, αφού δεν έχει κινητά μέρη και ο βαθμός απόδοσής της δεν περιορίζεται από το νόμο του Carnot, όπως συμβαίνει με τις θερμικές μηχανές.
   
Η ενεργειακή απόδοση των περισσότερων ειδών κυψελών καυσίμου κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 40 – 70 %. Η τιμή της απόδοσής τους εξαρτάται από την κατώτερη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου που θα καταναλωθεί για τη λειτουργία τους. Αν εκμεταλλευτεί η παραγόμενη θερμότητα στην  έξοδο της κυψέλης, τότε είναι δυνατό να επιτευχθεί απόδοση μέχρι και 85 % της κατώτερης θερμογόνου δύναμης του καυσίμου. Ένα ακόμα σημαντικό πλεονέκτημα των κυψελών καυσίμου, που τις καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες, είναι ότι επιβαρύνουν ελάχιστα το περιβάλλον με την παραγωγή αέριων ρύπων συγκριτικά με τις συμβατικές τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας.

Λειτουργία


Το υδρογόνο (καύσιμο) εισέρχεται στην άνοδο και το οξυγόνο (αέρας) στην κάθοδο. Με τη βοήθεια του καταλύτη της ανόδου, τα άτομα του υδρογόνου διασπώνται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια διέρχονται από τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να μεταφερθούν μέσω εξωτερικού κυκλώματος στην κάθοδο. Η άνοδος και ο ηλεκτρολύτης είναι τέτοιας κατασκευής, ώστε η διάχυση των ατόμων του υδρογόνου να γίνεται με ομοιογενή τρόπο. Η παράπλευρη κίνηση των ηλεκτρονίων, πριν φτάσουν ξανά στην κάθοδο, δημιουργεί το εκμεταλλεύσιμο ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν τα ηλεκτρόνια φτάνουν στην κάθοδο, με τη βοήθεια του καταλύτη της καθόδου ενώνονται με τα πρωτόνια του υδρογόνου και με το οξυγόνο και παράγεται καθαρό νερό, ενώ συγχρόνως εκλύεται θερμότητα.

Για την κατασκευή της ανόδου και του ηλεκτρολύτη επιλέγονται αγώγιμα υλικά. Ο καταλύτης αναλαμβάνει την επιτάχυνση της δημιουργίας του νερού από τα συστατικά του. Τα δύο στρώματα καταλύτη χρησιμεύουν για την αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων α) διάσπασης του μορίου του υδρογόνου στην άνοδο και β) της ένωσης υδρογόνου και οξυγόνου για τη δημιουργία νερού στην κάθοδο.


Αντιδράσεις


Οι χημικές αντιδράσεις, οι οποίες χαρακτηρίζουν τα παραπάνω βήματα, είναι οι εξής:

 Άνοδος
Anode Reaction
Κάθοδος
Cathode Reaction
Κυψέλη
Entire Fuel Cell Reaction

Μία απλή κυψέλη καυσίμου παράγει τάση περίπου ίση με 0.7 Volts. Προκειμένου να παραχθούν μεγαλύτερες (και πρακτικά αξιοποιήσιμες) τάσεις, χρησιμοποιούνται περισσότερες κυψέλες σε σειρά (fuel cell stack).

Fuel Cell Stack


Είδη κυψελών καυσίμου


Οι κυριότερες κατηγορίες κυψελών καυσίμου και συνάμα αυτές που συναντώνται πιο συχνά στην πράξη είναι οι εξής:

  • Κυψέλες καυσίμου με ηλεκτρολύτη πολυμερούς μεμβράνης (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells – PEMFC).
  • Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cells – PAFC).
  • Κυψέλες καυσίμου τηγμένου άνθρακα (Molten Carbonate Fuel Cells – MCFC).
  • Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cells – SOFC).
  • Κυψέλες καυσίμου αλκαλίου (Alkaline Fuel Cells – AFC).
  • Κυψέλες καυσίμου μεθανόλης (Direct Methanol Fuel Cells – DMFC).
  • Κυψέλες καυσίμου αναστρέψιμης (ή αναγεννητικής) λειτουργίας (Reversible Fuel Cells – RFC).


Βιβλιογραφία


Σαμαράς Χ. “Προσομοίωση Υβριδικού Συστήματος  Κυψέλης Καυσίμου Στερεού Οξειδίου –  Μικροαεριοστροβίλου”, Διπλωματική εργασία, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Μάϊος 2007,

Page last modified: January 6, 2019

Christos Samaras

Hi, I am Christos, a Mechanical Engineer by profession (Ph.D.) and a Software Developer by obsession (10+ years of experience)! I founded this site back in 2011 intending to provide solutions to various engineering and programming problems.

Christos E. Samaras

{"email":"Email address invalid","url":"Website address invalid","required":"Required field missing"}
Add Content Block
>