Κυψέλη καυσίμου

Μια κυψέλη καυσίμου παράγει ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας την ενέργεια που απελευθερώνεται από την ανάμιξη καυσίμου με αέρα, μια αντίδραση που δημιουργεί νερό και μερικές φορές επίσης διοξείδιο του άνθρακα. Το πιο συνηθισμένο καύσιμο για τις κυψέλες καυσίμου είναι το υδρογόνο, το οποίο όταν αντιδρά με το οξυγόνο του αέρα παράγει μόνο νερό. Οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν όπως μια μπαταρία που τροφοδοτείται συνεχώς με καύσιμο, ώστε να μην αδειάζει ποτέ (εφόσον έχετε αρκετό καύσιμο). Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν σημαντικό μέρος της οικονομίας του υδρογόνου. Μόρια υδρογόνου βρίσκονται σε ουσίες όπως το μεθάνιο, το νερό και η βιομάζα, αλλά σε όλες τις περιπτώσεις απαιτείται κάποια ενέργεια για την εξαγωγή του. Υπάρχουν δύο συνήθεις τρόποι για την παραγωγή υδρογόνου - μπορεί να διαχωριστεί από τα περισσότερα καύσιμα όπως το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, ο άνθρακας σε μια διαδικασία που ονομάζεται αναμόρφωση με ατμό, ή μπορεί να εξαχθεί από το νερό χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτρόλυση. Εάν το υδρογόνο διαχωρίζεται από τα ορυκτά καύσιμα, απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα. Εάν η ενέργεια που χρησιμοποιείται για την εξαγωγή του από το νερό μέσω ηλεκτρόλυσης προέρχεται από την ηλιακή ή την αιολική ενέργεια, τότε το παραγόμενο υδρογόνο είναι καλοήθες επειδή δεν εκλύονται εκπομπές. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να διαχωριστεί από ανανεώσιμο βιοαέριο, πράγμα που σημαίνει ότι ο εκπεμπόμενος άνθρακας δεν είναι ορυκτής προέλευσης και επομένως αποτελεί μέρος του φυσικού κύκλου του άνθρακα.

Κυψέλη καυσίμου άμεσης μεθανόλης. Η πραγματική στοίβα κυψέλης καυσίμου είναι η δι-κυβική δομή στο κέντρο της εικόνας.

Πώς να μετατρέψετε την ενέργεια

Το νερό είναι ένα μόριο που αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου. Χρειάζεται ενέργεια για να διαχωριστεί το νερό σε οξυγόνο και υδρογόνο, και η ενέργεια απελευθερώνεται όταν ενώνονται ξανά ως νερό. Μια κυψέλη καυσίμου ενώνει ξανά το υδρογόνο και το οξυγόνο με τρόπο που απελευθερώνει την ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρισμού.

Το καύσιμο (η πηγή ενέργειας, συνήθως υδρογόνο) και ο αέρας (που περιέχει το οξυγόνο) τοποθετούνται στις αντίθετες πλευρές της κυψέλης καυσίμου. Στη μέση της κυψέλης καυσίμου υπάρχει μια "οθόνη", που ονομάζεται ηλεκτρολύτης, ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες, που ονομάζονται ηλεκτρόδια, η οποία κρατάει το καύσιμο και τον αέρα χωριστά. Τα διάφορα είδη κυψελών καυσίμου παίρνουν τα ονόματά τους με βάση τον τύπο της οθόνης που χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό του καυσίμου και του αέρα. Η σήτα επιτρέπει μόνο σε συγκεκριμένα φορτισμένα μόρια, γνωστά και ως ιόντα, να περάσουν μέσα από αυτήν.

Για να δημιουργηθούν ιόντα, πρέπει να μεταφερθούν ηλεκτρόνια από τη μία πλευρά του συστήματος στην άλλη. Τα ηλεκτρόνια αποσπώνται από το καύσιμο από τη μεταλλική πλάκα στην πλευρά του καυσίμου και πρέπει να ταξιδέψουν στην πλευρά του αέρα για να ολοκληρωθεί η αντίδραση. Επειδή η οθόνη δεν αφήνει τα ηλεκτρόνια να περάσουν, αυτά περνούν μέσω ενός ξεχωριστού σύρματος, στην άλλη μεταλλική πλάκα στην πλευρά του αέρα. Το ταξίδι των ηλεκτρονίων δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα (ηλεκτρισμό). Το σύρμα είναι το σημείο όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο ηλεκτρισμός. Για παράδειγμα, το σύρμα μπορεί να κοπεί στη μέση και να συνδεθεί μια λάμπα ανάμεσα στα δύο μισά.

Εν τω μεταξύ, τα ιόντα περνούν μέσα από την οθόνη και αντιδρούν με τα μόρια (που βρίσκονται ήδη στην άλλη πλευρά) και τα ηλεκτρόνια (που ταξίδεψαν μέσω του σύρματος, εκλύοντας ενέργεια για την τροφοδοσία των ηλεκτρονικών) στην άλλη πλευρά. Σχηματίζεται νερό (και, ανάλογα με τον τύπο του καυσίμου, περιστασιακά και άλλα προϊόντα), το οποίο βγαίνει από έναν σωλήνα εξάτμισης.

Αποδοτικότητα

Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια συνδυάζοντας οξυγόνο και υδρογόνο. Η απόδοση είναι πολύ καλή (περίπου 40%-70%). Έχουν μέγιστη απόδοση 83% εάν η θερμότητα των καυσαερίων χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Επίσης, οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χρησιμοποιούν διάφορα καύσιμα, για παράδειγμα, φυσικό αέριο, μεθανόλη, υγραέριο (LPG), νάφθα, κηροζίνη κ.λπ.

Χαρακτηριστικά

Ορισμένοι τύποι κυψελών καυσίμου παράγουν μόνο νερό, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ρύπανση. Οι περισσότεροι τύποι κυψελών καυσίμου προκαλούν πολύ λιγότερες εκπομπές από την κλασική ("θερμιδική") παραγωγή ενέργειας. Μπορούν να καταναλώνουν τους ίδιους τύπους καυσίμων με τις κλασικές γεννήτριες ενέργειας, για παράδειγμα τις μηχανές ντίζελ, αλλά είναι περίπου δύο φορές πιο αποδοτικές, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να παράγουν την ίδια ποσότητα ενέργειας με το μισό καύσιμο, και επομένως τουλάχιστον τη μισή ρύπανση. Επιπλέον, η χρήση κυψελών καυσίμου άμεσης μετατροπής έχει μικρότερο κίνδυνο παραγωγής δευτερογενών εκπομπών όπως NOx, SOx και σωματιδίων, οι οποίες είναι παρενέργειες της καύσης, συμβάλλουν στην υπερθέρμανση του πλανήτη και είναι γνωστές ως ρύποι κριτηρίων.

Οι κυψέλες καυσίμου είναι πολύ αθόρυβες. Δεν έχουν κινούμενα μέρη εκτός από κάποιους ανεμιστήρες για την κίνηση του αέρα και αντλίες για την κίνηση του νερού, πράγμα που σημαίνει ότι πολύ σπάνια χρειάζονται επισκευές, ωστόσο ορισμένες μεγάλες κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία πραγμάτων όπως τα κτίρια μπορεί να είναι αρκετά εύθραυστες.

Λόγω των πολύ χαμηλών εκπομπών ρύπων, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται συχνά σε οχήματα που κινούνται μέσα σε κτίρια, όπως τα περονοφόρα ανυψωτικά μηχανήματα. Επειδή είναι πολύ αθόρυβες, χρησιμοποιούνται σε ορισμένα στρατιωτικά υποβρύχια για να αποφεύγεται ο εντοπισμός τους. Το καύσιμο χρησιμοποιείται πιο αποτελεσματικά, πράγμα που σημαίνει ότι οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να λειτουργούν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα χωρίς να χρειάζονται νέο καύσιμο. Αυτό τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται σε μέρη στα οποία είναι δύσκολο να φτάσει κανείς, όπως μετεωρολογικοί ή ερευνητικοί σταθμοί, διαστημόπλοια ή στρατιωτικές βάσεις.

Δεδομένου ότι τα διαστημόπλοια εκτοξεύονται με πυραύλους που περιέχουν καθαρό υδρογόνο και οξυγόνο, η ηλεκτρική ενέργεια επί του σκάφους παράγεται με πολύ αποδοτικές κυψέλες καυσίμου που μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα καύσιμα. Επιπλέον, οι κυψέλες καυσίμου στα διαστημόπλοια παράγουν καθαρό νερό στην εξάτμισή τους, το οποίο μπορεί να συλλεχθεί περαιτέρω και να χρησιμοποιηθεί ως πόσιμο νερό για τους αστροναύτες, πράγμα που σημαίνει ότι δεν χάνεται απολύτως τίποτα.

Τύποι κυψελών καυσίμου

Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τον τύπο της εσωτερικής οθόνης (ηλεκτρολύτης). Για παράδειγμα, οι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος είναι για χαμηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται στα κινητά τηλέφωνα και στα τροφοδοτικά αυτοκινήτων που απαιτούν υψηλά ρεύματα, επειδή είναι πολύ πιο ασφαλές. Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου περιέχουν συνήθως υδροξείδιο του καλίου (KOH). Οι κυψέλες καυσίμου μεθανόλης χρησιμοποιούνται με ηλεκτροχημική αντίδραση της μεθανόλης. Αυτός ο τύπος κυψέλης καυσίμου αποτελεί καλύτερη επιλογή για απλούστερα συστήματα. Αλλά οι κυψέλες καυσίμου μεθανόλης έχουν χαμηλές πυκνότητες εξόδου, καθώς ο ρυθμός αντίδρασής της είναι αργός.

Μερικοί σημαντικοί τύποι κυψελών καυσίμου είναι:

Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC) - Οι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος είναι σήμερα εμπορικά διαθέσιμες. Είναι οι πιο κοινές κυψέλες καυσίμου για τη συνδυασμένη παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας.
Κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) - Αυτές οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 175 °F), έχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος, μπορούν να μεταβάλλουν γρήγορα την παραγωγή τους για να καλύψουν τις μεταβολές στη ζήτηση ισχύος και είναι κατάλληλες για εφαρμογές, όπως στα αυτοκίνητα, όπου απαιτείται γρήγορη εκκίνηση. Όλα τα εμπορικά οχήματα με κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν αυτόν τον τύπο κυψέλης καυσίμου. Το μειονέκτημα αυτών των κυψελών καυσίμου είναι ότι απαιτούν υδρογόνο υψηλής καθαρότητας, η παραγωγή του οποίου είναι δαπανηρή.
Κυψέλη καυσίμου με λιωμένο ανθρακικό άλας (MCFC) - Αυτές οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες τους επιτρέπουν να μετατρέπουν πιο σύνθετα καύσιμα, όπως το φυσικό αέριο, σε καύσιμο υδρογόνο που χρησιμοποιείται από την ίδια την κυψέλη. Χρειάζονται αρκετές ώρες για να ξεκινήσουν και να κλείσουν, οπότε χρησιμοποιούνται μόνο σε εφαρμογές όπου μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν συνεχώς, όπως η σταθερή ενέργεια για μεγάλα κτίρια/επιχειρήσεις.
Μικροβιακή κυψέλη καυσίμου (MFC) - Μια κυψέλη καυσίμου που χρησιμοποιεί αναπνέοντα μικρόβια για τη μετατροπή οργανικών υποστρωμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια, χρησιμοποιώντας αντιδράσεις αναγωγήςοξείδωσης.

Εφαρμογές

Υπάρχουν πολλές χρήσεις για τις κυψέλες καυσίμου - μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες εργάζονται για την εμπορική διάθεση αυτοκινήτων με κυψέλες καυσίμου. Η Toyota και η Honda έχουν κυκλοφορήσει το Mirai και το Clarity αντίστοιχα. Οι κυψέλες καυσίμου τροφοδοτούν λεωφορεία, σκάφη, τρένα, αεροπλάνα, σκούτερ, περονοφόρα ανυψωτικά μηχανήματα και ποδήλατα. Υπάρχουν αυτόματοι πωλητές που λειτουργούν με κυψέλες καυσίμου, ηλεκτρικές σκούπες και οδικές πινακίδες αυτοκινητοδρόμων. Προβλέπονται μικροσκοπικές κυψέλες καυσίμου για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Νοσοκομεία, κέντρα πιστωτικών καρτών, αστυνομικά τμήματα και τράπεζες χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου για την παροχή ενέργειας στις εγκαταστάσεις τους. Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων και οι χώροι υγειονομικής ταφής απορριμμάτων τις χρησιμοποιούν για να μετατρέψουν το αέριο μεθάνιο που παράγουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται εδώ και καιρό στο διάστημα. Οι εταιρείες τηλεπικοινωνιών χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου σε πύργους κινητής τηλεφωνίας, ραδιοφώνου και 911.

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Q: Πώς μια κυψέλη καυσίμου παράγει ηλεκτρική ενέργεια;

A: Μια κυψέλη καυσίμου παράγει ηλεκτρισμό αναμειγνύοντας καύσιμο με αέρα και δημιουργώντας μια αντίδραση που απελευθερώνει ενέργεια, δημιουργώντας νερό και μερικές φορές διοξείδιο του άνθρακα.

Ερ: Ποιο είναι το πιο συνηθισμένο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου;

Α: Το πιο συνηθισμένο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το υδρογόνο.

Ερ: Σε τι διαφέρει μια κυψέλη καυσίμου από μια μπαταρία;

Α: Μια κυψέλη καυσίμου διαφέρει από μια μπαταρία στο ότι τροφοδοτείται συνεχώς με καύσιμο, ώστε να μην εξαντλείται ποτέ, εφόσον υπάρχει αρκετό καύσιμο διαθέσιμο.

Ε: Τι είναι η οικονομία του υδρογόνου;

Α: Η οικονομία του υδρογόνου αναφέρεται στη χρήση του υδρογόνου ως πηγή καυσίμου για τη μείωση της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα.

Ε: Πώς παράγεται το υδρογόνο;

Α: Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί με μια διαδικασία που ονομάζεται αναμόρφωση με ατμό ή να εξαχθεί από το νερό με μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτρόλυση.

Ερ: Τι συμβαίνει όταν το υδρογόνο διαχωρίζεται από τα ορυκτά καύσιμα;

Α: Όταν το υδρογόνο διαχωρίζεται από τα ορυκτά καύσιμα, απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα.

Ερ: Μπορεί το υδρογόνο να παραχθεί με τρόπο που να μην εκπέμπει επιβλαβείς εκπομπές;

Α: Ναι, εάν η ενέργεια που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια, το παραγόμενο υδρογόνο είναι καλοήθες, διότι δεν εκλύονται εκπομπές. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να διαχωριστεί από ανανεώσιμο βιοαέριο, πράγμα που σημαίνει ότι ο εκπεμπόμενος άνθρακας δεν είναι ορυκτής προέλευσης και επομένως αποτελεί μέρος του φυσικού κύκλου του άνθρακα.