3.1. Τύποι Κελιών Καυσίµου (ΙΙ) ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Ενώ υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κελιών καυσίµου, σχεδόν όλοι υπακούουν στην ίδια αρχή λε

Transcript

1 3.1. Τύποι Κελιών Καυσίµου (Ι0 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Για την ταξινόµηση τον Κελιών Καυσίµου Υδρογόνου βασιζόµαστε σε δύο καθοριστικούς παράγοντες, αυτοί είναι η θερµοκρασία λειτουργίας τους και ο τύπος του ηλεκτρολύτη που χρησιµοποιούν, ο οποίος καθορίζει το είδος της χηµικής αντίδρασης που πραγµατοποιείται στο κελί. Ο λόγος είναι ότι αυτοί οι δύο παράγοντες καθορίζουν κατά ένα µεγάλο ποσοστό τόσο την καταλληλότητα για την συγκεκριµένη εφαρµογή, όσο και το κόστος κατασκευής της, στο οποίο ο ηλεκτρολύτης συνεισφέρει σηµαντικά. εν ενδείκνυται για παράδειγµα η χρήση ενός κελιού καυσίµου υψηλής θερµοκρασίας για την αυτοκίνηση. Η απευθείας καταλυτική αναµόρφωση του φυσικού αερίου (εσωτερική αναµόρφωση) για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας απαιτεί υψηλές θερµοκρασίες επιτέλεσης µε αποτέλεσµα να είναι απαραίτητη η χρήση στερεών ηλεκτρολυτών µε ιδιαίτερα υψηλή αντοχή και αγωγιµότητα σε αυτές τις θερµοκρασίες. Υπάρχουν αρκετοί, κυρίως ηλεκτρόδιο-καταλυτικοί καταλυτικοί λόγοι και λόγοι επαρκούς αγωγιµότητας που µας οδηγούν συχνά να λειτουργούµε τα κελιά καυσίµου σε υψηλές θερµοκρασίες. Για να γίνουµε πιο σαφείς, η κινητική των ηλεκτρονιακών αντιδράσεων ευνοείται από την αύξηση της θερµοκρασίας όπως συµβαίνει και µε τις κλασικές αντιδράσεις. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

2 3.1. Τύποι Κελιών Καυσίµου (ΙΙ) ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Ενώ υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κελιών καυσίµου, σχεδόν όλοι υπακούουν στην ίδια αρχή λειτουργίας, στην οποία έχουµε αναφερθεί στην περιγραφή της λειτουργίας τουςστο προηγούµενο κεφάλαιο. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κελιών καυσίµων αυτήν την περίοδο υπό ανάπτυξη, κάθε ένας µε τα πλεονεκτήµατα, τους περιορισµούς, και τις πιθανές απαιτήσεις του. Οι πιο ελπιδοφόροι απ τους τύπους κελιών καυσίµου υδρογόνου είναι: Κελιά καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells) Κελιά καυσίµου φωσφορικού οξέος (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells) Κελιά καυσίµου άµεσης µετατροπής µεθανόλης (DMFC, Direct Methanol Fuel Cells) Αλκαλικά κελιά καυσίµου (AFC, Alkaline Fuel Cells) Κελιά καυσίµου τηγµένου ανθρακικού άλατος (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) Κελιά καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells) Αναπαραγωγικά (αντιστρέψιµα) κελιά καυσίµου. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

3 ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

4 Κελιά µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων Τα κελιά καυσίµων µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) παραδίδουν πυκνότητα υψηλής ισχύος και προσφέρουν τα πλεονεκτήµατα του χαµηλού βάρους και όγκου, έναντι άλλων κελιών καυσίµων. Τα κελιά καυσίµων PEM χρησιµοποιούν ένα στερεό πολυµερές σώµα ως ηλεκτρολύτη και πορώδη ηλεκτρόδια άνθρακα που περιέχουν έναν καταλύτη λευκόχρυσου. Χρειάζονται µόνο το υδρογόνο, το οξυγόνο από τον αέρα, και το νερό για να λειτουργήσουν και δεν απαιτούν διαβρωτικά ρευστά όπως µερικά κελιά καυσίµων Τροφοδοτούνται µε καθαρό υδρογόνο που παρέχεται από τις δεξαµενές αποθήκευσης ή από τους µεταρρυθµιστές. Τα κελιά καυσίµων ΡΕΜ λειτουργούν σε σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες, γύρω στους 80 C ( F). Η λειτουργία σε χαµηλή θερµοκρασία επιτρέπει σε αυτά να αρχίσουν γρήγορα (λιγότερος χρόνος προθέρµανσης) και οδηγεί στη λιγότερη επένδυση στα τµήµατα συστηµάτων, µε συνέπεια την καλύτερη διάρκεια. Εντούτοις, απαιτεί ότι ένας καταλύτης µετάλλου (χαρακτηριστικά λευκόχρυσος) χρησιµοποιείται για να χωρίσει τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια του υδρογόνου, προσθέτοντας στο κόστος του συστήµατος. Ο καταλύτης λευκόχρυσου είναι επίσης εξαιρετικά ευαίσθητος στη δηλητηρίαση από µονοξείδιο του άνθρακα, έτσι το καθιστά απαραίτητο να χρησιµοποιήσει έναν πρόσθετο αντιδραστήρα για να µειώσει το µονο- ξείδιο του άνθρακα στο αέριο καύσιµο, εάν το υδρογόνο προέρχεται από καύσιµα οινοπνεύµατος ή υδρογονανθράκων. Αυτό αυξάνει επίσης το κόστος. Οι υπεύθυνοι για την ανάπτυξη ερευνούν αυτήν την περίοδο τους καταλύτες λευκόχρυσου - ρουθίνιου που είναι ανθεκτικότεροι στο µονοξείδιο του άνθρακα. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

5 Κελιά µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

6 Κελιά µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων Τα κελιά καυσίµων PEM χρησιµοποιούνται πρώτιστα για τις εφαρµογές µεταφορών και µερικές στάσιµες εφαρµογές. Λόγω του γρήγορου χρόνου ξεκινήµατος, της χαµηλής ευαισθησίας στον προσανατολισµό, και της ευνοϊκής αναλογίας δύναµης - βάρους τους, τα κύτταρα καυσίµων PEM είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για τη χρήση στα οχήµατα επιβατών, όπως τα αυτοκίνητα ( kw) και τα λεωφορεία (200 kw). Επίσης χρησιµοποιούνται για παραγωγή οικιακής ενέργειας (2 10 kw) και εµπορικής ( kw). Τέλος για µικρές, φορητές γεννήτριες και αντικατάσταση µπαταριών. Ένα σηµαντικό εµπόδιο στη χρησιµοποίηση αυτών των κελιών καυσίµων στα οχήµατα είναι η αποθήκευση υδρογόνου. Τα περισσότερα οχήµατα κελιών καυσίµων που τροφο- δοτούνται από το καθαρό υδρογόνο πρέπει να αποθηκεύσουν το υδρογόνο ως συµπιεσµένο αέριο σε δεξαµενές που αντέχουν την πίεση. Λόγω της χαµηλής ενεργειακής πυκνότητας του υδρογόνου, είναι δύσκολο να αποθηκευτεί αρκετό υδρογόνο για να επιτρέψει στα οχήµατα να ταξιδέψουν την ίδια απόσταση µε οχήµατα που τροφοδοτούνται µε βενζίνη. Τα υγρά καύσιµα υψηλής πυκνότητας όπως η µεθανόλη, η αιθανόλη, το φυσικό αέριο, και η βενζίνη µπορούν να χρησιµοποιηθούν σαν καύσιµα, αλλά τα οχήµατα πρέπει να έχουν έναν επεξεργαστή καυσίµων για να µεταρρυθµίσουν τη µεθανόλη σε υδρογόνο. Αυτό αυξάνει τις δαπάνες και τις απαιτήσεις συντήρησης. Ο µεταρρυθµιστής απελευθερώνει επίσης το διοξείδιο του άνθρακα (ένα αέριο θερµοκηπίου), εν τούτοις λιγότερο από αυτό που εκπέµπεται από τις τρέχουσες τροφοδοτούµενες µε βενζίνη µηχανές. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

7 Κελιά φωσφορικού οξέος ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Τα κελιά καυσίµων φωσφορικού οξέος χρησιµοποιούν το υγρό φωσφορικό οξύ ως ηλεκτρολύτη, το οποίο περιλαµβάνεται σε µια συνδεµένη µήτρα τεφλόν καρβιδίου του πυριτίου, και πορώδη ηλεκτρόδια άνθρακα που περιέχουν έναν καταλύτη λευκόχρυσου. Το κελιά καυσίµων φωσφορικού οξέος (PAFC) θεωρούνται πρώτη γενιά των σύγχρονων κελιών καυσίµων. Είναι ένας από τους πιο ανεπτυγµένους τύπους κελιών και ο πρώτος που χρησιµοποιείται εµπορικά, µε πάνω από 200 µονάδες αυτήν την περίοδο σε χρήση. Αυτός ο τύπος κελιών καυσίµων χρησιµοποιείται χαρακτηριστικά για τη στάσιµη ηλεκτρική παραγωγή, αλλά µερικά PAFCs έχουν χρησιµοποιηθεί για να τροφο- δοτήσουν τα µεγάλα οχήµατα όπως τα λεωφορεία πόλεων. Τα PAFCs είναι πιο ανεκτικά στις ακαθαρσιών των προϊόντων αναµόρφωσης υδρογονάνθρακα από τα κελιά PEM, τα οποία ευκολότερα δηλητηριάζονται από το µονοξείδιο άνθρακα που δεσµεύεται στον καταλύτη λευκόχρυσου στην άνοδο, µειώ- νοντας την αποδοτικότητα του κελιού καυσίµων. Είναι αποδοτικά 85% όταν χρησιµο- ποιούνται για τη συµπαραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας και της θερµότητας, αλλά λιγότερο αποδοτικοί στην παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας µόνο (37 έως 42 %). Αυτό είναι ελαφρώς αποδοτικότερο από την καύση που βασίζεται στις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, οι οποίες αναπτύσσουν δραστηριότητες µε χαρακτηριστική αποδοτικότητα από 33 έως 35 %. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

8 Κελιά φωσφορικού οξέος Τα PAFCs είναι επίσης λιγότερο ισχυρά από άλλα κελιά καυσίµων, λαµβάνοντας υπόψη τοίδιο βάρος και όγκο. Κατά συνέπεια, αυτά τα κελιά καυσίµων είναι χαρακτηριστικά µεγάλακαι βαριά. Τα PAFCs είναι επίσης ακριβά. Όπως τα κελιά καυσίµων PEM, τα PAFCs απαιτούν έναν ακριβό καταλύτη λευκόχρυσου, ο οποίος αυξάνει το κόστος του κελιού καυσίµων. απάνες χαρακτηριστικές φωσφορικού οξέος καυσίµων κελιών µεταξύ $4.000 και $4.500 ανά κιλοβάτ για να λειτουργήσει. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

9 Κελιά άµεσης µετατροπής µεθανόλης ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Τα περισσότερα κελιά καυσίµων τροφοδοτούνται από το υδρογόνο, το οποίο µπορεί να τροφοδοτηθεί στο σύστηµα κελιών καυσίµων άµεσα ή µπορεί να παραχθεί µέσα στο σύστηµα κελιών καυσίµων µε τη µεταρρύθµιση των καυσίµων πλούσια σε υδρογόνο, όπως η µεθανόλη, η αιθανόλη, και τα καύσιµα υδρογονανθράκων. Τα άµεσα κελιά καυσίµων µεθανόλης (DMFCs), εντούτοις, τροφοδοτούνται από την καθαρή µεθανόλη, η οποία αναµιγνύεται µε τον ατµό άµεσα στην άνοδο του κελιού καυσίµων. Τα DMFCs δεν έχουν πολλά από τα προβλήµατα αποθήκευσης καυσίµων που είναι χαρακτηριστικό µερικών κελιών καυσίµων δεδοµένου ότι η µεθανόλη έχει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από το υδρογόνο εν τούτοις λιγότερη από τη βενζίνη ή από το πετρέλαιο. Η µεθανόλη είναι επίσης ευκολότερο να µεταφερθεί για ανεφοδιασµό του κοινού που χρησιµοποιεί την τρέχουσα υποδοµή µας δεδοµένου ότι είναι ένα υγρό, όπως η βενζίνη. Τα DMFCs είναι σχετικά νέα έναντι αυτής των κελιών καυσίµων που τροφοδοτούνται από το καθαρό υδρογόνο, και η έρευνα και η ανάπτυξη είναι κατά προσέγγιση 3-4 έτη πίσω από αυτήν άλλων τύπων κελιών καυσίµων. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

10 Αλκαλικά κελιά Τα αλκαλικά κελιά καυσίµων (AFCs) ήταν µια από τις πρώτες τεχνολογίες κελιών καυσίµων που αναπτύχθηκαν, και ήταν ο πρώτος τύπος που χρησιµοποιήθηκε ευρέως στο αµερικάνικο διαστηµικό πρόγραµµα για να παραχθεί ενέργεια και νερό στο διαστηµικό σκάφος. Αυτά τα κελιά καυσίµων χρησιµοποιούν ποικίλα µη πολύτιµα µέταλλα ως καταλύτη στην άνοδο και την κάθοδο. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

11 Αλκαλικά κελιά (ΙΙ) Υψηλής θερµοκρασίας AFCs λειτουργούν στις θερµοκρασίες µεταξύ 100 oc και 250oC (212oF και 482oF) of). Εντούτοις, τα περισσότερα πρόσφατα AFC σχεδιάστηκαν να λειτουργούν σε χαµηλότερες θερµο-κρασίες κατά προσέγγιση 23oC σε 70oC (74oF σε 158oF) of). Τα AFCs είναι υψηλής απόδοσης κελιά καυσίµων λόγω του ποσοστού στο οποίο οι χηµικές αντιδράσεις πραγµατοποιούνται στο κελί. Είναι επίσης πολύ αποδοτικά, φθάνοντας σε αποδοτικότητα 60 % στις διαστηµικές εφαρµογές. Το µειονέκτηµα αυτού του τύπου κελιών καυσίµων είναι ότι δηλητηριάζεται εύκολα από το διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Στην πραγµατικότητα, ακόµη και το µικρό ποσό του CO2 στον αέρα µπορεί να έχει επιπτώσεις στη λειτουργία του κελιού, που το καθιστά απαραίτητο να καθαρίσει το υδρογόνο και το οξυγόνο που χρησιµοποιούνται στο κελί. Αυτή η διαδικασία καθαρισµού είναι δαπανηρή. Η ευαισθησία στη δηλητηρίαση έχει επιπτώσεις επίσης στη διάρκεια ζωής του κελιού (το χρονικό διάστηµα προτού να πρέπει να αντικατασταθεί), και την περαιτέρω προσθήκη στο κόστος. Το κόστος είναι λιγότερο για τις αποµακρυσµένες εφαρµογές, όπως στο διάστηµα ή κάτω από τη θάλασσα. Εντούτοις, αποτελεσµατικά ανταγωνίζονται στις περισσότερες επικρατούσες εµπορικές αγορές, αυτά τα κελιά καυσίµων θα πρέπει να γίνουν οικονοµικώς πιο αποδοτικά. Οι διατάξεις των AFC έχει αποδειχθεί ότι διατηρούν την αρκετά σταθερή λειτουργία τους για περισσότερο από ώρες λειτουργίας. Για να είναι οικονοµικά βιώσιµα σε µεγάλης κλίµακας και γενικές εφαρµογές, αυτά τα κελιά καυσίµων πρέπει να φθάσουν σε χρόνο λειτουργίας πάνω από ώρες. Αυτό είναι ενδεχοµένως το σηµαντικότερο εµπόδιο στην εµπορευµατοποίηση αυτής της τεχνολογίας κελιών καυσίµων.

12 Κελιά τηγµένου ανθρακικού άλατος Τα κελιά τηγµένου ανθρακικού άλατος (MCFCs)αναπτύσσονται αυτήν την περίοδο για το φυσικό αέριο και τις βασισµένες στον άνθρακα εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, για την ηλεκτρική χρησιµότητα, τις βιοµηχανικές, και στρατιωτικές εφαρµογές. ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

13 Κελιά τηγµένου ανθρακικού άλατος ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Τα MCFCs είναι υψηλής θερµοκρασίας κελιά καυσίµων που χρησιµοποιούν έναν ηλεκτρολύτη που αποτελείται από ένα τηγµένο µίγµα ανθρακικού άλατος που αναστέλλεται σε µια πορώδη, χηµικά αδρανή κεραµική µήτρα οξειδίων αργιλίου και λιθίου (LiAlO2). εδοµένου ότι λειτουργούν σε εξαιρετικά υψηλές θερµοκρασίες 650oC (κατά προσέγγιση 1.200oF) και πάνω, µη πολύτιµα µέταλλα µπορούν να χρησιµο- ποιηθούν ως καταλύτες στην άνοδο και την κάθοδο, που µειώνουν τις δαπάνες. Η βελτιωµένη αποδοτικότητα είναι ένας λόγος σηµαντικής προσφοράς µείωσης δαπανών πέρα από τα κελιά καυσίµων φωσφορικού οξέος (PAFCs). Τα κελιά καυσίµων τηγµένου ανθρακικού άλατος µπορούν να φθάσουν σε αποδοτικότητα που πλησιάζει το 60%, αρκετά υψηλότερο από τις αποδοτικότητες % εγκαταστάσεων κελιών καυσίµων φωσφορικού οξέος. Όταν η θερµότητα των αποβλήτων συλλαµβάνεται και χρησιµο- ποιείται, οι γενικές αποδοτικότητες καυσίµων µπορούν να είναι τόσο υψηλές όπως 85 %. Αντίθετα από τα αλκαλικά, τα φωσφορικού οξέως, και τα κελιά καυσίµων µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, τα κελιά MCFCs δεν απαιτούν έναν εξωτερικό µεταρρυθµιστή για να µετατρέψουν τα πυκνά και ενεργειακά καύσιµα σε υδρογόνο. Λόγω των υψηλών θερµοκρασιών στις οποίες λειτουργούν, αυτά τα καύσιµα µετατρέπονται σε υδρογόνο µέσα στο ίδιο το κελί καυσίµων µε µια διαδικασία αποκαλούµενη εσωτερική µεταρρύθµιση, η οποία µειώνει επίσης το κόστος.

14 Κελιά τηγµένου ανθρακικού άλατος Κελί καύσιµου τηγµένου ανθρακικού άλατος δεν είναι επιρρεπής σε µονοξείδιο του άνθρακα ή διοξείδιο του άνθρακα δηλητηρίαση - αυτά µπορούν ακόµη να χρησιµοποιή- σουν και οξείδια του άνθρακα ως καύσιµο - καθιστώντας αυτά περισσότερο ελκυστικά για τροφοδότηση µε αέρια καύσιµα που προέρχονται από άνθρακα. Αν και είναι ανθεκτικότερα στις ακαθαρσίες από άλλους τύπους κελιών καυσίµων, οι επιστήµονες ψάχνουν τρόπους να καταστήσουν τα κελιά MCFCs αρκετά ανθεκτικά σε ακαθαρσίες από τον άνθρακα, όπως είναι από το θείο. Το αρχικό µειονέκτηµα της τρέχουσας τεχνολογίας MCFC είναι η διάρκεια. Οι υψηλές θερµοκρασίες στις οποίες αυτά τα κελιά λειτουργούν και ο διαβρωτικός ηλεκτρολύτης που χρησιµοποιούν επιταχύνουν τη αποσύνθεση και τη διάβρωση, που µειώνουν τη ζωή των κελιών. Οι επιστήµονες εξερευνούν αυτήν την περίοδο τα αντιδιαβρωτικά υλικά για τα συστατικά καθώς επίσης και τα σχέδια κελιών καυσίµων που αυξάνουν τη ζωή των κελιών χωρίς µείωση της απόδοσης.

15 Κελιά στερεού ηλεκτρολύτη Τα κελιά καυσίµων στερεού ηλεκτρολύτη (SOFCs) χρησιµοποιούν µια σκληρή, όχι πορώδης κεραµική ένωση ως ηλεκτρολύτη. εδοµένου ότι ο ηλεκτρολύτης είναι ένα στερεό, τα κελιά δεν είναι απαραίτητο να τοποθετηθούν σταθερά όπως στην χαρακτη- ριστική διαµόρφωση άλλων τύπων κελιών καυσίµων.

16 Κελιά στερεού ηλεκτρολύτη ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Τα SOFCs είναι περίπου % αποδοτικά στη µετατροπή των καυσίµων σε ηλεκτρική ενέργεια. Στις εφαρµογές µε σκοπό να συλλάβουν και να χρησιµοποιήσουν τη θερµότητα των αποβλήτων του συστήµατος (συµπαραγωγή), οι γενικές αποδοτικότητες χρήσης καυσίµων θα µπορούσαν να φτάσουν %. Τα κελιά καυσίµων στερεών οξειδίων λειτουργούν σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες περίπου 1.000oC (1.830oF) of).η λειτουργία υψηλής θερµοκρασίας αφαιρεί την ανάγκη για καταλύτη πολύτιµων µετάλλων, µειώνοντας έτσι το κόστος. Επιτρέπει επίσης στα κελιά SOFCs να µεταρρυθµίσουν τα καύσιµα εσωτερικά, το οποίο επιτρέπει τη χρήση ποικίλων καυσίµων και µειώνει το κόστος που συνδέεται µε την προσθήκη ενός µεταρρυθµιστή στο σύστηµα. Τα SOFCs είναι επίσης ο ανθεκτικότερος τύπος κελιών καυσίµων στο θείο. Έτσι µπορούν να ανεχτούν περισσότερο θείο από άλλους τύπους κελιών. Επιπλέον, δεν δηλητη- ριάζονται από το µονοξείδιο του άνθρακα (CO), το οποίο µπορεί ακόµη και να χρησιµο- ποιηθεί σαν καύσιµο. Αυτό επιτρέπει στα SOFCs να χρησιµοποιήσουν τα αέρια που προέρχονται από τον άνθρακα.

17 Κελιά στερεού ηλεκτρολύτη ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Η λειτουργία υψηλής θερµοκρασίας έχει και µειονεκτήµατα. Οδηγεί σε ένα αργό ξεκίνηµα και απαιτεί το σηµαντικό θερµικό προστατευτικό κάλυµµα για να διατηρήσει τη θερµότητα και να προστατεύσει το προσωπικό, το οποίο µπορεί να είναι αποδεκτό για τις γενικές εφαρµογές αλλά όχι για τη µεταφορά και τις µικρές φορητές εφαρµογές. Λόγω των υψηλών θερµοκρασιών λειτουργίας χρειάζονται αυστηρές απαιτήσεις διάρκειας στα υλικά. Η ανάπτυξη του χαµηλού κόστους των υλικών µε την υψηλή διάρκεια στις θερµοκρασίες λειτουργίας κελιών είναι η βασική τεχνική πρόκληση που αντιµετωπίζει αυτήν την τεχνολογία. Οι επιστήµονες ερευνούν αυτήν την περίοδο τη δυνατότητα για την ανάπτυξη SOFCs σε λειτουργία χαµηλής θερµοκρασίας κάτω από 800oC που έχουν λιγότερα προβλήµατα αντοχής και µικρότερο κόστος. Τα προϊόντα χαµηλής θερµοκρασίας SOFCs παράγουν µικρότερη ηλεκτρική δύναµη, εντούτοις το πλήθος των υλικών που θα λειτουργήσουν σε αυτήν την σειρά χαµηλότερης θερµοκρασίας δεν έχουν προσδιοριστεί. Τυπικές µορφές SOFCs που έχουν αναπτυχθεί είναι σωληνωτού και επίπεδου τύπου.

18 Κελιά στερεού ηλεκτρολύτη ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Η Siemens Westinghouse έχει κατασκευάσει σωληνωτού τύπου συστήµατα SOFCs τα οποία έχουν δοκιµαστεί για πάνω από 7,5 χρόνια συνεχούς σταθερούς λειτουργίας

19 Κελιά στερεού ηλεκτρολύτη Επίπεδου τύπου SOFCs, διασταυρωτής ροής, οµορροής και αντιρροής.

20 Αναπαραγωγικά (αντιστρέψιµα) κελιά καυσίµων Τα αναπαραγωγικά κελιά καυσίµων παράγουν την ηλεκτρική ενέργεια από το υδρογόνο και το οξυγόνο και παράγουν τη θερµότητα και το νερό ως υποπροϊόντα, ακριβώς όπως άλλα κελιά καυσίµων. Εντούτοις, τα αναπαραγωγικά συστήµατα κελιών καυσίµων µπορούν επίσης να χρησιµοποιήσουν την ηλεκτρική ενέργεια από την ηλιακή δύναµη ή κάποια άλλη πηγή για να διαιρέσουν το υπερβολικό νερό σε καύσιµα οξυγόνου και υδρογόνου. Η διαδικασία καλείται ηλεκτρόλυση. Αυτό είναι µια συγκριτικά νέα τεχνολογία κελιών καυσίµων που αναπτύσσεται από τη NASA και άλλους Κελιά καυσίµου µεταλλικών υδριδίων (Metal hydride fuel cells) Είναι µια υποκατηγορία των αλκαλικών κελιών καυσίµου. Αν και είναι από τους πιο πρόσφατα ανεπτυγµένους τύπους κελιών επιδεικνύουν ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά: Χαµηλές θερµοκρασίες λειτουργίας (κάτω από -20 C) Υψηλή κινητική Εκτεταµένη διάρκεια ζωής Γρήγορη έναρξη λειτουργίας υνατότητα επαναφόρτισης µέσω ηλεκτρικής ενέργειας (όµοια µε µπαταρίες NiMH) υνατότητα να λειτουργήσουν για περιορισµένες χρονικές περιόδους χωρίς εξωτερική πηγή υδρογόνου, επιτρέποντας την γρήγορη αλλαγή των πηγών καυσίµων.

21 Κελιά καυσίµου µεταλλικών υδριδίων (Metal hydride fuel cells) Τα Κελιά καυσίµου µεταλλικών υδριδίων ερευνώνται αυτήν την περίοδο από την ECD Ovonics, όπως επίσης και από το Ιαπωνικό Εθνικό ίδρυµα προηγµένων βιοµηχανικών επιστηµών και τεχνολογιών (AIST). Αν και παρόµοια, τα δύο πρωτότυπα χρησιµοποιούν διαφορετικούς καταλύτες. Ως εδώ, κανένα ερευνητικό πρόγραµµα δεν έχει παραγει ένα πρότυπο εκτός εργαστήριου, µόνο δηµοσιεύσεις και διπλώµατα ευρεσιτεχνίας, αφου τα σηµαντικά εµπόδια αποδοτικότητας δεν έχουν υπερνικηθεί ακόµα.

22 Γαλβανό-ηλεκτρικό κελί καυσίµου (Electro-galvanic fuel cell) Το γαλβανό-ηλεκτρικό κελί καυσίµου είναι µια ηλεκτρική συσκευή που χρησιµοποιείται για να µετρήσει τη συγκέντρωση οξυγόνου στα µέσα κατάδυσης και ιατρικούς εξοπλισµούς. Μια χηµική αντίδραση πραγµατοποιείται στο κελί καυσίµων όταν το υδροξείδιο καλίου στο κελί έρχεται σε επαφή µε το οξυγόνο. Αυτό δηµιουργεί ηλεκτρικό ρεύµα µεταξύ ανόδου και καθόδου µέσω µιας αντίστασης φορτίων. η παραχθείσα τάση είναι ανάλογη προς τη συγκέντρωση του υπάρχοντος οξυγόνου. Τα γαλβανό-ηλεκτρικά κελιά καυσίµου έχουν µια περιορισµένη διάρκεια ζωής που µειώνεται από την έκθεση στις υψηλές συγκεντρώσεις οξυγόνου. Η αντίδραση µεταξύ του οξυγόνου και του µολύβδου στην άνοδο καταναλώνει το µόλυβδο, ο οποίος οδηγεί τελικά στο να αποτύχει το κελί στις υψηλές συγκεντρώσεις αίσθησης του οξυγόνου Κελιά καυσίµου άµεσης µετατροπής φορµικού/µυρµηκικού οξέος (Direct formic acid fuel cell, DFAFC) Τα Κελιά καυσίµου άµεσης µετατροπής φορµικού οξέος είναι µια υποκατηγορία των κελίων ανταλλαγής πρωτονίων, µε την διαφορά ότι το καύσιµο, φορµικό οξύ, δεν µεταρρυθµίζετε, αλλά τροφοδοτείτε άµεσα στο κελί καυσίµου. Είναι ιδανικά για εφαρµογές σε µικρές, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές όπως τα κινητά τηλέφωνα και οι φορητοί υπολογιστές

23 Κελιά Μπαταρίας ψευδαργύρου-αέρα αέρα (Zinc-air battery) Τα Κελιά Μπαταρίας ψευδαργύρου-αέρα αέρα είναι µπαταρίες που τροφοδοτούνται ηλεκτροχηµικά από την οξείδωση του ψευδάργυρου µε οξυγόνο από τον αέρα. Αυτές οι µπαταρίες έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και είναι σχετικά µικρό κόστος παραγωγής. Χρησιµοποιούνται κυρίως σε ακουστικά βαρηκοΐας και σε πειραµατικά ηλεκτρικά οχήµατα. Οι µπαταρίες ψευδάργυρου-αέρα έχουν τόσο τις ιδιότητες των κελιών καυσίµων όσο και των µπαταριών: ο ψευδάργυρος είναι το καύσιµο, το ποσοστό της αντίδρασης µπορεί να ελεγχθεί µε τον έλεγχο της ροής αέρα, και η χρησιµοποιηµένη πάστα ψευδάργυρου / ηλεκτρολυτών µπορεί να αφαιρεθεί από το κελί και να αντικατασταθεί µε τη φρέσκια πάστα. Η έρευνα επικεντρώνεται στην τροφοδότηση ηλεκτρικών οχηµάτων µε τις µπαταρίες ψευδάργυρος-αέρα αέρα.

24 Όχηµα ανεφοδιασµού κελιών µπαταρίας ψευδαργύρου-αέρα αέρα.

25 Μικροβιακό ή Βιολογικό κελί καυσίµου (microbial fuel cell (MFC) or biological fuel cell) Ένα Μικροβιακό ή Βιολογικό κελί καυσίµου είναι ένα βιο-ηλεκτροχηµικό σύστηµα το οποίο λειτουργεί µε τη µίµηση βακτηριακών αλληλεπιδράσεων που βρίσκονται µέσα στη φύση. Το µικροβιακό κελί καυσίµου είναι µια συσκευή που µετατρέπει τη χηµική ενέργεια σε ηλεκτρική από την καταλυτική αντίδραση µικροοργανισµών. Επίσης υπάρχει και το µικροβιακό κελί καυσίµου ανάστροφης ροής (UMFC) Κελιά Καυσίµου άµεσης τροφοδοσίας υπεροξειδίου του Υδρογόνου (Direct borohydride fuel cell) Κελιά Καυσίµου µεταρρυθµισµένης µεθανόλης (Reformed Methanol Fuel Cells) Το µεταρρυθµισµένο κελί καυσίµου µεθανόλης (RMFC) είναι µια υποκατηγορία των κελιών καυσίµου ανταλλαγής πρωτονίων όπου, το καύσιµα, η µεθανόλη (CH 3 OH), µεταρρυθµίζεται, πριν τροφοδοτηθεί κελί καυσίµου. Τα συστήµατα RMFC προσφέρουν τα πλεονεκτήµατα των Κελιών καυσίµου άµεσης µετατροπής µεθανόλης (DMFC), συµπεριλαµβανοµένης της υψηλότερης αποδοτικότητας, του µικρότερου σωρού κελιών, καµίας διαχείρισης ύδατος, καλύτερης λειτουργίας στις χαµηλές θερµοκρασίες, και αποθήκευσης στις υπό το µηδέν θερµοκρασίες.

26 Κελιά Καυσίµου άµεσης τροφοδοσίας αιθανόλης (Direct Ethanol Fuel Cells) Τα κελιά καυσίµου άµεσης τροφοδοσίας αιθανόλης είναι µια υποκατηγορία των Κελιών Καυσίµου ανταλλαγής πρωτονίων όπου, το καύσιµο, η αιθανόλη, δεν µεταρρυθµίζεται, αλλά τροφοδοτείται άµεσα στο κελί καυσίµου Μπαταρία ροής (RFC - Redox flow battery) Σωληνοειδή Κελιά καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη (solid oxide fuel cell -SOFC) Σωληνοειδή κελιά καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη είναι υποκατηγορία των κελιών καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) Πρωτονιακό κεραµικό κελί καυσίµου (Protonic Ceramic Fuel Cells-PCFC) Τα πρωτονιακά κεραµικά κελιά καυσίµου (PCFC) είναι ένας σχετικά νέος τύπος κελιού καυσίµου, ο οποίος είναι βασισµένος σε ένα κεραµικό υλικό ηλεκτρολυτών που εκθέτει την υψηλή πρωτονιακή αγωγιµότητα σε υψηλές θερµοκρασίες. Τα Πρωτονιακά κεραµικά κελιά καυσίµου µοιράζονται τα θερµικά και κινητικά πλεονεκτήµατα της λειτουργίας σε υψηλή θερµοκρασία (700 C) όπως τα κελιά καυσίµου τηγµένου ανθρακικού άλατος και τα κελιά καυσίµου, ενώ επιδεικνύουν και όλα τα ουσιαστικά πλεονεκτήµατα της αγωγιµότητας πρωτονίων όπως τα κελιά καυσίµου ανταλλαγής πρωτονίων και φωσφορικού οξέος.

27 Κελί καυσίµου άµεσης τροφοδοσίας άνθρακα (Direct Carbon Fuel Cell -DCFC) Κελί καυσίµου άµεσης τροφοδοσίας άνθρακα είναι ένα κελί καυσίµου που χρησιµοποιεί ένα ανθρακούχο υλικό ως καύσιµο, το κελί χρησιµοποιεί την άµεση αντίδραση του άνθρακα και του οξυγόνου για να απελευθερώσει ηλεκτρική ενέργεια και διοξείδιο του άνθρακα. Υπάρχουν δύο τύποι κελιών άµεσης τροφοδοσίας άνθρακα, το πρώτο βασίζεται στα κελιά καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) και το δεύτερο στα κελιά καυσίµου τηγµένου ανθρακικού άλατος (MCFC) Επίπεδα κελιά καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη (Planar Solid oxide fuel cell) Τα επίπεδα κελιά καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη (PSOFCs) υπόσχονται µεγάλη αποδοτικότητα στην ηλεκτρική παραγωγή.