Κυψέλες Καυσίμου

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.

 Άνοδος

Κάθοδος

Κυψέλη

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).

---

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,