Μοντελοποίηση Συστημάτων Κυψελών Καυσίμου με τη Χρήση του Λογισμικού Simulink

AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία Μοντελοποίηση Συστημάτων Κυψελών Καυσίμου με τη Χρήση του Λογισμικού Simulink Παναγιώτης Παπαδόπουλος ΑΕΜ:5119 Επιβλέποντες: Γρηγόρης Παπαγιάννης, Επίκουρος Καθηγητής Αντώνης Μαρινόπουλος, Μεταπτυχιακός Φοιτητής Νοέμβριος 27

Πρόλογος Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται μελέτη των διαφόρων ειδών κυψελών καυσίμου καθώς και μοντελοποίηση και δοκιμή μιας Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Γρηγόρη Παπαγιάννη και τον υποψήφιο διδάκτορα Αντώνη Μαρινόπουλο για την καθοδήγηση, τις συμβουλές, την άριστη συνεργασία και τη σημαντική βοήθεια τους σε όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. 2

Περιεχόμενα Πρόλογος... 2 Εισαγωγή... 7 Κεφάλαιο 1... 9 Διανεμημένη Παραγωγή... 9 Κεφάλαιο 2... 11 Κυψέλες Καυσίμου... 11 2.1 Γενικά... 11 2.2 Λειτουργία Ιδανικής Κυψέλης Καυσίμου... 11 2.3 Ολοκληρωμένο σύστημα κυψέλης καυσίμου... 13 2.4 Είδη Κυψελών Καυσίμου... 14 2.4.1 Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC ή PEMFC)... 14 2.4.2 Alkaline Fuel Cell (AFC)... 16 2.4.3 Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)... 16 2.4.4 Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)... 17 2.4.5 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)... 18 2.4.6 Γενικά Πλεονεκτήματα των Κυψελών Καυσίμου:... 19 2.4.7 Γενικά Μειονεκτήματα των Κυψελών Καυσίμου:... 2 2.5 Αναλυτική παρουσίαση μιας PEMFC... 23 2.5.1 Μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων (Proton Exchange Membrane)... 24 2.5.2 Πορώδες στρώμα (Porous Backing Layer ή αλλιώς Gas Diffusion Layer)... 25 2.5.3 Ηλεκτρο καταλύτης... 26 2.5.4 Πίεση και θερμοκρασία λειτουργίας... 26 2.5.5 Διαχείριση Νερού... 26 2.5.6 Προβλήματα με αέρια ανόδου... 27 2.5.7 Προβλήματα με αέρια καθόδου... 27 2.6 Συστήματα Κυψελών Καυσίμου... 28 2.6.1 Απ ευθείας χρήση καθαρού υδρογόνου... 28 2.6.2 Συστήματα που βασίζονται σε επεξεργαστές καυσίμου (reformers)... 29 2.6.3 Απ ευθείας χρήση μεθανόλης (Direct Methanol Fuel Cell DMFC)... 31 2.7 Εφαρμογές PEMFC... 32 2.8 Σύνδεση με το δίκτυο ή με φορτίο... 32 2.8.1 Σύνδεση κυψελών για παροχή ενέργειας σε απομονωμένα φορτία:... 32 2.8.2 Χρήση κυψελών καυσίμου ως UPS (Uninterruptable Power Supply):... 34 3

2.8.3 Παράλληλη τροφοδοσία φορτίου μαζί με το δίκτυο:... 36 2.8.4 Σύνδεση κυψελών καυσίμου απ ευθείας με το δίκτυο:... 36 2.9 Φυσική εξήγηση της λειτουργίας μιας PEMFC... 38 2.1 Υπολογισμός απόδοσης μιας κυψέλης καυσίμου... 4 2.11 Χρησιμοποίηση... 41 2.12 Υπολογισμός απωλειών... 42 2.12.1 Υπολογισμός απωλειών ενεργοποίησης... 43 2.12.2 Υπολογισμός ωμικών απωλειών... 45 2.12.3 Απώλειες συγκέντρωσης (mass transport related losses)... 46 2.12.4 Συνολικές Απώλειες... 47 2.12.5 Επίδραση της θερμοκρασίας... 49 2.12.6 Επίδραση της πίεσης... 49 Κεφάλαιο 3... 5 Μοντελοποίηση... 5 3.1 Βασικές εξισώσεις για μια κυψέλη... 5 3.2 Απώλειες... 54 3.2.1 Απώλειες Ενεργοποίησης... 54 3.2.2 Ωμικές απώλειες... 57 3.2.3 Απώλειες συγκέντρωσης... 58 3.2.4 Επίδραση της θερμοκρασίας στην ιδανική τάση... 58 3.3 Τιμές που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο... 59 3.4 Παρουσίαση του μοντέλου... 6 3.4.1 Εξισώσεις ισορροπίας μαζών και εξίσωση Nernst (Mass Balance block).... 62 3.4.2 Απώλειες ενεργοποίησης (activation loss block)... 66 3.4.3 Ωμικές Απώλειες (ohmic loss block)... 67 3.4.4 Απώλειες συγκέντρωσης (concentration loss block)... 7 3.4.5 Απώλειες λόγω αυξημένης θερμοκρασίας (Temperature loss block)... 7 3.4.6 Υπολογισμός της συγκέντρωσης του Ο 2 (O2 concentration block)... 71 3.5 Χαρακτηριστική V I μιας κυψέλης καυσίμου... 71 3.5.1 Μεταβολές των πιέσεων... 76 3.5.2 Απώλειες της κυψέλης... 79 Κεφάλαιο 4... 83 Πειράματα... 83 4.1 Πρώτο Πείραμα: Βηματική αλλαγή στο ρεύμα... 83 4

4.1.1 Μεταβολή της τάσης... 84 4.1.2 Μεταβολή των μερικών πιέσεων... 84 4.1.3 Μεταβολή της διαφοράς των πιέσεων... 86 4.1.4 Μεταβολή των απωλειών... 87 4.1.5 Μεταβολή της dc ισχύος... 89 4.2 Δεύτερο Πείραμα: Σταδιακή βηματική αύξηση του ρεύματος... 89 4.2.1 Μεταβολή της τάσης:... 9 4.2.2 Μεταβολή των μερικών πιέσεων... 91 4.2.3 Μεταβολή των απωλειών... 93 4.2.4 Μεταβολή της dc ισχύος... 95 4.3 Τρίτο Πείραμα: Απόρριψη και επανασύνδεση φορτίου.... 95 4.3.1 Μεταβολή της τάσης... 96 4.3.2 Μεταβολή των πιέσεων... 97 4.3.3 Μεταβολή της διαφοράς των πιέσεων... 98 4.3.4 Μεταβολή της dc ισχύος... 99 Κεφάλαιο 5... 1 Ελεγκτής καυσίμου... 1 5.1 Χαρακτηριστική V I... 12 5.1.1 Μεταβολή των μερικών πιέσεων:... 13 5.1.2 Μεταβολή των απωλειών:... 16 5.1.3 Χρησιμοποίηση... 17 5.2 Χρήση περιοριστή (saturation block) στον ελεγκτή καυσίμου... 18 5.2.1 V I Χαρακτηριστική... 19 5.2.2 Μεταβολή των πιέσεων... 11 5.2.3 Μεταβολή των απωλειών... 112 5.3 Πρώτο Πείραμα: Βηματική αλλαγή του ρεύματος... 113 5.3.1 Μεταβολή της τάσης... 114 5.3.2 Μεταβολή των πιέσεων... 114 5.3.3 Μεταβολή των απωλειών... 116 5.3.4 Απόκριση του ελεγκτή καυσίμου... 118 5.3.5 Χρησιμοποίηση... 118 5.3.6 Μεταβολή της dc ισχύος... 119 5.4 Δεύτερο Πείραμα: Σταδιακή βηματική αύξηση του ρεύματος... 12 5.4.1 Μεταβολή της τάσης... 12 5

5.4.2 Μεταβολή των πιέσεων... 121 5.4.3 Μεταβολή των απωλειών... 123 5.4.4 Απόκριση του ελεγκτή καυσίμου... 124 5.4.5 Μεταβολή της χρησιμοποίησης... 124 5.4.6 Μεταβολή της dc ισχύος... 125 5.5 Τρίτο Πείραμα: Απόρριψη και επανασύνδεση φορτίου.... 125 5.5.1 Μεταβολή της τάσης... 126 5.5.2 Μεταβολή των πιέσεων... 127 5.5.3 Μεταβολή των απωλειών... 129 5.5.4 Μεταβολή της ροής του καυσίμου... 129 5.5.5 Μεταβολή της χρησιμοποίησης... 13 5.5.6 Μεταβολή της dc ισχύος... 131 Κεφάλαιο 6... 132 Στοίβα (Stack) Κυψελών Καυσίμου... 132 6.1 V I χαρακτηριστική... 132 6.2 Μεταβολή των πιέσεων... 134 Κεφάλαιο 7... 136 Συμπεράσματα Προτάσεις... 136 7.1 Συμπεράσματα... 136 7.2 Προτάσεις... 138 Βιβλιογραφία... 14 6

Εισαγωγή Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, σε συνδυασμό με την επιβάρυνση του πλανήτη από ρυπογόνες ουσίες οι οποίες παράγονται από τις υπάρχουσες μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και άλλες ανάγκες, όπως αυτή της ύπαρξης εφεδρείας και ίσως αποθήκευσης ενέργειας, της μείωσης των απωλειών κατά τη μεταφορά και της αύξησης της αξιοπιστίας οδηγούν στην αναζήτηση νέων λύσεων. Η Διανεμημένη Παραγωγή μεταφέρει την παραγωγή ενέργειας κοντά στον καταναλωτή και δίνει τη δυνατότητα για χρήση διαφόρων πολλά υποσχόμενων τεχνολογιών προσφέροντας έτσι αρκετές λύσεις στα παραπάνω προβλήματα. Μια σχετικά νέα τεχνολογία η οποία παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον και για εφαρμογές Διανεμημένης Παραγωγής είναι οι Κυψέλες Καυσίμου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται η λειτουργία μιας ιδανικής κυψέλης καυσίμου. Αναφέρονται τα βασικά είδη κυψελών καυσίμου και οι ιδιαιτερότητες που παρουσιάζει το καθένα, τα καύσιμα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν καθώς και τα εξωτερικά συστήματα που απαιτούνται για τη λειτουργία τους. Από τα είδη των κυψελών καυσίμου επιλέγονται οι Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) λόγω της απλότητας στη λειτουργία τους, της δυνατότητας για χρήση στη Διανεμημένη Παραγωγή καθώς και της πληθώρας διαθέσιμων μελετών. Στη συνέχεια αναλύεται λεπτομερώς ο τρόπος λειτουργίας τους, τα διάφορα μέρη από τα οποία αποτελούνται και γίνεται αναφορά στα επιπλέον συστήματα που απαιτούνται για τη λειτουργία και για τη διασύνδεση των κυψελών καυσίμου με το δίκτυο ή το φορτίο. Στόχος της λεπτομερούς ανάλυση είναι η δημιουργία ενός μοντέλου στο λογισμικό Matlab/Simulink. Γίνεται περιγραφή των βασικών εξισώσεων, των απωλειών και των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν στη μοντελοποίηση. Παρουσιάζεται το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο Simulink και περιγράφονται τα διάφορα blocks καθώς και η φυσική τους ερμηνεία. Στη συνέχεια σχεδιάζεται η V I χαρακτηριστική του μοντέλου και διάφορα διαγράμματα για την παρατήρηση των αλλαγών σημαντικών μεγεθών στο εσωτερικό της κυψέλης όπως οι μερικές πιέσεις καυσίμου και οξειδωτικής ουσίας, οι απώλειες, η χρησιμοποίηση του καυσίμου, η απόδοση και η ισχύς. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται πειράματα χρησιμοποιώντας το μοντέλο που αναπτύχθηκε με σταθερή ροή καυσίμου. Στο πρώτο πείραμα το dc ρεύμα της κυψέλης καυσίμου μεταβάλλεται βηματικά από το ελάχιστο στο μέγιστο, στο δεύτερο πείραμα το dc ρεύμα αυξάνεται σε τρία βήματα από το ελάχιστο στο μέγιστο και στο τρίτο πείραμα γίνεται απόρριψη και επανασύνδεση φορτίου. Παρατηρούνται οι μεταβολές της τάσης και των σημαντικών μεγεθών στο εσωτερικό της κυψέλης. 7

Επειδή η ροή του καυσίμου στην πραγματικότητα δεν είναι σταθερή επαναλαμβάνονται τα ίδια πειράματα και ο σχεδιασμός της V I χαρακτηριστικής με τη χρήση ελεγκτή καυσίμου και εξωτερικού reformer ο οποίος τροφοδοτεί με υδρογόνο την κυψέλη καυσίμου. Γίνεται σύγκριση με τα προηγούμενα αποτελέσματα. Επιπρόσθετα γίνεται μια απλοποιημένη μοντελοποίηση μιας στοίβας (stack) 1 κυψελών καυσίμου και σχεδιάζεται η V I χαρακτηριστική καθώς και διαγράμματα άλλων μεγεθών όπως οι μερικές πιέσεις καυσίμου και οξειδωτικής ουσίας, οι απώλειες, η χρησιμοποίηση του καυσίμου, η απόδοση και η ισχύς. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και τα προβλήματα που προέκυψαν από τη μοντελοποίηση και προτείνονται μελλοντικές βελτιώσεις. 8

Κεφάλαιο 1 Διανεμημένη Παραγωγή Για τη Διανεμημένη Παραγωγή δεν υπάρχει σαφής ορισμός. Διαφέρει από χώρα σε χώρα και εξαρτάται από τη νομοθεσία σε κάποιο βαθμό. Όταν μιλάμε για Διανεμημένη παραγωγή μπορούμε να πούμε ότι αναφερόμαστε σε σχετικά μικρές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, από μερικά kw έως μερικά MW, οι οποίες μπορεί να συνδέονται είτε στη μεριά των καταναλωτών ή στο δίκτυο διανομής στη χαμηλή τάση είτε στη μέση τάση στο δίκτυο μεταφοράς ανάλογα κυρίως με την ισχύ της μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Κύριος στόχος είναι η παραγωγή ενεργού ισχύος. Διάφορα είδη τεχνολογιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διανεμημένη παραγωγή ακολουθούν στον πίνακα 1.1 [1]. Οι κυψέλες καυσίμου είναι πολλά υποσχόμενες συσκευές για χρήση σε διανεμημένη παραγωγή. Παρουσιάζουν εύκολη προσαρμογή στην ισχύ, χαμηλή ή και μηδενική εκπομπή ρύπων αν χρησιμοποιηθεί καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο και υψηλές αποδόσεις. Επιπλέον είναι αθόρυβες οπότε μπορούν να συνδεθούν και κοντά σε κατοικήσιμες περιοχές. Επιπλέον το κόστος εγκατάστασης είναι περίπου σταθερό ανά μονάδα ισχύος είτε για μικρές είτε για μεγάλες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Θετικά χαρακτηριστικά για τις μονάδες που χρησιμοποιούνται στη διανεμημένη παραγωγή είναι να μπορούν να χρησιμοποιούνται για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας, να χρησιμοποιούνται για την κάλυψη φορτίων αιχμής ή να μπορούν να ανταποκρίνονται στη ζήτηση του φορτίου σε τυχόν αποκοπή του δικτύου καθώς και να παρέχουν καλή «ποιότητα» ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτά τα χαρακτηριστικά συναντώνται και στις κυψέλες καυσίμου. 9

Τεχνολογία Μηχανές εσωτερικής καύσης Μικρο τουρμπίνες Μικρά υδροηλεκτρικά Πολύ μικρά υδροηλεκτρικά Ανεμογεννήτριες Φωτοβολταϊκά Ηλιακά θερμικά Βιομάζα Κυψέλες καυσίμου (Phosphoric Acid) Κυψέλες καυσίμου (Molten Carbonate) Κυψέλες καυσίμου (Proton Exchange) Κυψέλες καυσίμου (Solid Oxide) Γεωθερμία Ενέργεια κυμάτων Μπαταρίες 5kW 1MW 35kW 1MW 1 1 MW 25kW 1MW 2W 3MW 2W 1kW* 1 1 MW 1kW 2MW 2kW 2MW 25kW 2MW 1 25kW 25kW 5MW 5 1MW 1kW 1MW 5kW 5MW Ισχύς Πίνακας 1.1 Τεχνολογίες Διανεμημένης Παραγωγής *Πλέον οι συστοιχίες φωτοβολταϊκών που τοποθετούνται μπορούν να φτάσουν μέχρι και 2MW. 1

Κεφάλαιο 2 Κυψέλες Καυσίμου 2.1 Γενικά Οι Κυψέλες Καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια του καυσίμου απ ευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Επειδή τα ενδιάμεσα στάδια της παραγωγής θερμότητας και μηχανικού έργου αποφεύγονται, η απόδοση των κυψελών καυσίμου δεν περιορίζεται από την απόδοση του θερμοδυναμικού κύκλου Carnot. Έτσι επιτυγχάνονται υψηλότερες αποδόσεις και επομένως μειωμένοι ρύποι και μειωμένο κόστος καυσίμου. 2.2 Λειτουργία Ιδανικής Κυψέλης Καυσίμου Η απλούστερη μορφή μιας κυψέλης καυσίμου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.1 Σχηματική απεικόνιση της λειτουργίας μιας ιδανικής κυψέλης καυσίμου με καύσιμο υδρογόνο και οξειδωτική ουσία οξυγόνο. 11

Τα βασικά μέρη μιας κυψέλης καυσίμου είναι ο ηλεκτρολύτης, ο οποίος είναι ικανός να επιτρέπει σε ιόντα να τον διαπερνούν και τα ηλεκτρόδια στην άνοδο και στην κάθοδο, τα οποία κατασκευάζονται από πορώδη αγώγιμα υλικά με στόχο τη διάχυση του καυσίμου και της οξειδωτικής ουσίας καθώς και την αγωγή των ηλεκτρονίων. Οι λειτουργίες του ηλεκτρολύτη είναι να διευκολύνει την ηλεκτροχημική αντίδραση, να επιτρέπει στα ιόντα, είτε αρνητικά είτε θετικά ανάλογα με το είδος της κυψέλης και του καυσίμου, να τον διαπερνούν, να διευκολύνει τη μεταφορά των αντιδρώντων ουσιών από και προς τα ηλεκτρόδια και ταυτόχρονα να αποτελεί ένα φυσικό εμπόδιο που να αποτρέπει την απ ευθείας ανάμιξη του καυσίμου με την οξειδωτική ουσία. Οι λειτουργίες των ηλεκτροδίων είναι να παρέχουν την επιφάνεια στην οποία πραγματοποιείται η ηλεκτροχημική αντίδραση, να παρέχουν ηλεκτρική σύνδεση με το φορτίο, να μοιράζουν τις ουσίες που αντιδρούν ομοιόμορφα και να οδηγούν τα προϊόντα της αντίδρασης στην έξοδο της κυψέλης. Για τους παραπάνω λόγους κατασκευάζονται από πορώδη και αγώγιμα υλικά. Κατά τη λειτουργία της η κυψέλη καυσίμου τροφοδοτείται συνεχώς με καύσιμο στην άνοδο, το οποίο στην απλούστερη περίπτωση είναι καθαρό υδρογόνο και με μια οξειδωτική ουσία στην κάθοδο, η οποία στην απλούστερη περίπτωση είναι καθαρό οξυγόνο. Η ηλεκτροχημική αντίδραση συμβαίνει ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και στον ηλεκτρολύτη γι αυτό είναι σημαντικό να υπάρχουν πολλές περιοχές που να μπορεί η ουσία που αντιδρά να έρχεται σε επαφή και με το ηλεκτρόδιο και με τον ηλεκτρολύτη ταυτόχρονα. Η δημιουργία τέτοιων περιοχών μπορεί να αυξήσει την απόδοση. Στις κυψέλες καυσίμου με υγρό ηλεκτρολύτη πρέπει ένα μέρος του πορώδους ηλεκτροδίου να έρθει σε επαφή με τον υγρό ηλεκτρολύτη επιτρέποντας όμως ταυτόχρονα και τη μεταφορά των αντιδρώντων ουσιών. Υπερβολική κάλυψη του ηλεκτροδίου με υγρό μπορεί να «πλημμυρίσει» το ηλεκτρόδιο και να εμποδίσει την μεταφορά των αντιδρώντων μειώνοντας την απόδοση. Στις κυψέλες καυσίμου με στερεό ηλεκτρολύτη πρέπει να δημιουργηθούν όσο το δυνατόν περισσότερες περιοχές που να επιτρέπουν στα αντιδρώντα να έρθουν σε επαφή και με το ηλεκτρόδιο και με τον ηλεκτρολύτη. Συνήθως στην περιοχή κοντά στον ηλεκτρολύτη το ηλεκτρόδιο κατασκευάζεται από ουσίες που παρουσιάζουν και ηλεκτρική και ιονική αγωγιμότητα. Όταν το υδρογόνο φτάσει σε μια τέτοια περιοχή αντιδρά σύμφωνα με την αντίδραση H 2 2H + + 2e. Τα 2 H +, τα οποία είναι στην ουσία δύο πρωτόνια, περνούν μέσα από τον ηλεκτρολύτη και αντιδρούν με το οξυγόνο στην κάθοδο και με τα 2 ηλεκτρόνια που έχουν περάσει μέσα από το φορτίο παράγοντας έργο 12

σύμφωνα με την αντίδραση 2H + + 2e + Ο H 2 O. Στην πραγματικότητα η στοιχειομετρία είναι διαφορετική αλλά δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα. Δηλαδή η αντίδραση στην άνοδο είναι 2H 2 4H + + 4e και στην κάθοδο 4H + + 4e + Ο 2 2H 2 O. Η συνολική αντίδραση για όλη την κυψέλη είναι 2H 2 +O 2 2H 2 O. Το τελικό προϊόν είναι νερό, 48.7KJ/mol θερμότητα και 237.13 KJ/mol ηλεκτρική ενέργεια. 2.3 Ολοκληρωμένο σύστημα κυψέλης καυσίμου Στην πράξη μια κυψέλη καυσίμου για να αποτελέσει ένα ολοκληρωμένο σύστημα χρειάζεται και κάποιες άλλες εξωτερικές συσκευές. Οι κυριότερες από αυτές είναι: Μονάδα επεξεργασίας καυσίμου (Reformer): Στην περίπτωση που το καύσιμο είναι καθαρό υδρογόνο, μια τέτοια μονάδα δε χρειάζεται. Για τα υπόλοιπα όμως καύσιμα όπως, για παράδειγμα το φυσικό αέριο ή η μεθανόλη, η μονάδα αυτή είναι απαραίτητη για να επεξεργαστεί το καύσιμο και να δημιουργήσει ένα αέριο με υψηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο. Παροχή αέρα: Συνήθως χρησιμοποιείται κάποιος συμπιεστής ή και κάποιο φίλτρο Διαχείριση θερμοκρασίας: Πρέπει με κάποιο τρόπο να γίνεται απαγωγή της θερμότητας που παράγεται. Η θερμότητα αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για συμπαραγωγή θερμότητας είτε σε κάποιο υβριδικό σύστημα με ατμοστρόβιλο είτε στη μονάδα επεξεργασίας καυσίμου ή ακόμα και με κάποιο τρόπο να γίνει απαγωγή της στο περιβάλλον. Διαχείριση νερού: Ανάλογα με το είδος της κυψέλης καυσίμου ο ηλεκτρολύτης μπορεί να χρειάζεται νερό για να λειτουργήσει πιο αποδοτικά. Επομένως ένα μέρος του νερού που παράγεται μπορεί να εισάγεται ξανά με το καύσιμο. Υπερβολική εισαγωγή νερού όμως μπορεί να οδηγήσει σε «πλημμύρα» τον ηλεκτρολύτη. Ηλεκτρονικά Ισχύος: Εφόσον η έξοδος της κυψέλης καυσίμου είναι συνεχής τάση και μάλιστα με πλάτος που μπορεί να αλλάζει, είναι απαραίτητη η μετατροπή της σε εναλλασσόμενη για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί. Διάφοροι ελεγκτές για τον έλεγχο του καυσίμου, των ηλεκτρονικών ισχύος καθώς και των επιμέρους συστημάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω. 13

2.4 Είδη Κυψελών Καυσίμου Ο κυριότερος τρόπος διαχωρισμού των κυψελών καυσίμου είναι με βάση τον ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Τα είδη που προκύπτουν είναι τα παρακάτω [1]: 1) Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEMFC ή PEFC) 2) Alkaline Fuel Cell (AFC) 3) Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) 4) Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) 5) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Επιπλέον διαχωρισμός μπορεί να γίνει με βάση το καύσιμο που χρησιμοποιείται: 1) Direct Alcohol Fuel Cell (DAFC) ή Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Είναι κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούν απ ευθείας κάποια αλκοόλη (π.χ. μεθανόλη) χωρίς επεξεργασία. Συνήθως είναι PEFC. 2) Direct Carbon Fuel Cell (DCFC). Είναι κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούν απ ευθείας άνθρακα σαν καύσιμο στην άνοδο χωρίς ενδιάμεσο στάδιο αεριοποίησης. Μπορεί να είναι SOFC, MCFC ή AFC. Τέτοιου τύπου κυψέλες θεωρητικά μπορούν να φτάσουν σε υψηλές αποδόσεις αλλά υπάρχουν διάφορα πρακτικά προβλήματα. 2.4.1 Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC ή PEMFC) Ο ηλεκτρολύτης είναι μια μεμβράνη από κάποιο πολυμερές που είναι πολύ καλός αγωγός πρωτονίων. Τα ηλεκτρόδια, και στην άνοδο και στην κάθοδο, είναι συνήθως κατασκευασμένα από άνθρακα με ηλεκτρο καταλύτη Λευκόχρυσο (Pt) για να παρέχει περιοχές για την αντίδραση όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Το μόνο υγρό στο εσωτερικό της κυψέλης είναι το νερό που προκύπτει ως προϊόν της αντίδρασης γι αυτό υπάρχουν ελάχιστα προβλήματα διάβρωσης. Η διαχείριση του νερού που προκύπτει ως προϊόν είναι πολύ σημαντικό στοιχείο. Πρέπει το νερό να μην εξατμίζεται με τον ίδιο ρυθμό που παράγεται γιατί η μεμβράνη πρέπει να παραμένει «ενυδατωμένη» για να λειτουργεί σωστά η κυψέλη. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι κάτω από 1 C, συνήθως γύρω στους 6 8 C. Το καύσιμο που χρησιμοποιείται είναι αέριο υψηλής περιεκτικότητας σε υδρογόνο και με ελάχιστες ποσότητες μονοξειδίου του άνθρακα (CO) γιατί είναι «δηλητήριο» για τον καταλύτη(pt). Επιπλέον κατά την επεξεργασία του καυσίμου πρέπει να αφαιρεθούν τυχόν υπολείμματα θείου και αλογόνων. Οι PEFC είναι από τις ευρέως χρησιμοποιούμενες κυψέλες καυσίμου ως πηγή ενέργειας για αυτοκίνητα, ως στατικές μονάδες παραγωγής ενέργειας καθώς 14

και ως πηγές ενέργειας για φορητές συσκευές. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης και στη Διανεμημένη Παραγωγή. Πλεονεκτήματα: 1) Ο στερεός ηλεκτρολύτης παρέχει καλό διαχωρισμό του καυσίμου από την οξειδωτική ουσία. 2) Η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας επιτρέπει γρήγορο ξεκίνημα 3) Δεν απαιτούνται ιδιαίτερα και ακριβά υλικά για την κατασκευή τους 4) Παρουσιάζουν υψηλή πυκνότητα ισχύος η οποία φτάνει τα 2W/cm 2. 5) Είναι κατάλληλες για εφαρμογή όπου είναι διαθέσιμο καθαρό υδρογόνο Μειονεκτήματα: 1) Η χαμηλή θερμοκρασία δημιουργεί προβλήματα στην απαγωγή θερμότητας ιδιαίτερα σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος και δε διευκολύνει τη χρήση της θερμότητας για συμπαραγωγή ή για παραγωγή ατμού σε κάποιο υβριδικό σύστημα. 2) Η διαχείριση του νερού είναι πολύπλοκη γιατί πρέπει να διασφαλίζεται σωστή «ενυδάτωση» της μεμβράνης αλλά ταυτόχρονα να αποφεύγεται τυχόν «πλημμύρα» (flooding). Δηλαδή πρέπει να υπάρχει ισορροπία στην ποσότητα νερού που υπάρχει στο εσωτερικό της κυψέλης καυσίμου. 3) Το καύσιμο πρέπει να είναι ιδιαίτερα καθαρό με ελάχιστη ή μηδενική περιεκτικότητα σε θείο, μονοξείδιο του άνθρακα και αμμωνία. 4) Για να μειωθούν τα παραπάνω προβλήματα μπορεί να αυξηθεί η περιεκτικότητα των ηλεκτροδίων σε λευκόχρυσο (Pt) και να μειωθεί η πυκνότητα του ρεύματος, με αποτέλεσμα όμως την αύξηση του κόστους 5) Όταν δεν υπάρχει ως διαθέσιμο καύσιμο καθαρό υδρογόνο (άλλωστε τα ευρέως χρησιμοποιούμενα καύσιμα είναι διάφοροι άλλοι υδρογονάνθρακες), ο επεξεργαστής καυσίμου που πρέπει να χρησιμοποιηθεί αυξάνει το μέγεθος, το κόστος και την πολυπλοκότητα και μειώνει την απόδοση του τελικού συστήματος γύρω στο 3%. Επιπλέον για τη χρήση τέτοιων κυψελών υπάρχει ανάγκη οι υπάρχουσες υποδομές για τη μεταφορά καυσίμων να μετατραπούν ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά υδρογόνου. 15

2.4.2 Alkaline Fuel Cell (AFC) Σ αυτό το είδος της κυψέλης καυσίμου ο ηλεκτρολύτης είναι υδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ). Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι, για υψηλές συγκεντρώσεις ΚΟΗ στον ηλεκτρολύτη, 25 C και για χαμηλές συγκεντρώσεις 12 C. Στα ηλεκτρόδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα υλικά ως ηλεκτρο καταλύτες όπως για παράδειγμα νικέλιο (Ni), άργυρος (Ag), διάφορα οξείδια μετάλλων ή ευγενή μέταλλα. Το προτιμώμενο καύσιμο για αυτό το είδος κυψέλης είναι καθαρό υδρογόνο. Το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) θεωρείται «δηλητήριο» για τον καταλύτη αφού έστω και παραμικρή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα θα αντιδράσει με το υδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ) και θα μεταβάλλει τη σύσταση του ηλεκτρολύτη. Υπάρχουν και ορισμένες AFC που χρησιμοποιούν στερεό άνθρακα ως καύσιμο (DCFC). Αυτό το είδος κυψέλης καυσίμου χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά στο διαστημόπλοιο Apollo το 196 και αργότερα σε πολλές διαστημικές αποστολές. Πέρα από αυτό έχουν σχετικά περιορισμένη χρήση λόγω της αναγκαιότητας για απουσία διοξειδίου του άνθρακα. Πλεονεκτήματα: 1) Υψηλή απόδοση για χρήση H 2 ως καύσιμο και Ο 2 ως οξειδωτική ουσία. 2) Είναι δυνατή η χρήση διάφορων υλικών ως ηλεκτρο καταλύτες Μειονεκτήματα: 1) Ευαισθησία στην ύπαρξη CO 2 οπότε είναι αναγκαία η χρήση καθαρού υδρογόνου ως καύσιμο. 2) Λόγω της προαναφερθείσας ευαισθησίας στην ύπαρξη CO 2 δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απ ευθείας ο αέρας ως οξειδωτική ουσία αλλά πρέπει πρώτα να αφαιρεθεί το CO 2. 2.4.3 Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται φωσφορικό οξύ. Η θερμοκρασίες λειτουργίας κυμαίνονται από 15 ως 22 C. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες η ικανότητα του φωσφορικού οξέος να άγει ιόντα μειώνεται. Επιπλέον επειδή στα ηλεκτρόδια χρησιμοποιείται λευκόχρυσος (Pt) ως ηλεκτρο καταλύτης σε χαμηλές θερμοκρασίες υπάρχει πρόβλημα με τη «δηλητηρίαση» του από το μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Επειδή η χρήση φωσφορικού οξέος με συγκέντρωση 1% μειώνει την πίεση των υδρατμών που παράγονται, δεν υπάρχει πρόβλημα στη διαχείριση του νερού. 16

Χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε σταθερές εγκαταστάσεις. Παλιότερα η έρευνα επικεντρωνόταν σ αυτού του τύπου τις κυψέλες καυσίμου, τα τελευταία 1 χρόνια όμως το ενδιαφέρον έχει μετατοπιστεί προς τις PEFC. Παρόλα αυτά υπάρχουν αρκετά εγκατεστημένα εργοστάσια με τέτοιου τύπου κυψέλες. Πλεονεκτήματα: 1) Οι PAFC είναι λιγότερο ευαίσθητες στην ύπαρξη μονοξειδίου του άνθρακα στο καύσιμο απ ότι είναι οι PEFC και οι AFC. Η ανοχή μπορεί να φτάσει το 1%. 2) Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι αρκετά χαμηλή οπότε δεν υπάρχει πρόβλημα στη χρήση διαφόρων υλικών στο υπόλοιπο σύστημα που περιβάλλει την κυψέλη αντίθετα με τις SOFC και τις MCFC. 3) Η θερμοκρασία αν και χαμηλή ώστε να μη δημιουργεί προβλήματα με τη χρήση υλικών επιτρέπει τη διαχείριση της θερμότητας και τη χρήση της για συμπαραγωγή. 4) Η απόδοση είναι αρκετά υψηλή και κυμαίνεται από 37 ως 42%. Είναι υψηλότερη από τις PEFC αλλά χαμηλότερη από τις SOFC και τις MCFC. Μειονεκτήματα: 1) Επειδή η αντίδραση μείωσης του οξυγόνου στην κάθοδο είναι αργή είναι απαραίτητη η χρήση λευκόχρυσου και στην κάθοδο. 2) Η επεξεργασία του καυσίμου είναι αρκετά πολύπλοκη όχι όμως όσο πολύπλοκη είναι για τις PEFC και τις AFC. 3) Επειδή το φωσφορικό προκαλεί διαβρώσεις σε πολλά υλικά, είναι αναγκαία η χρήση ακριβών υλικών. 2.4.4 Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Ο ηλεκτρολύτης κατασκευάζεται από αλκαλικά ανθρακικά άλατα. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι 6 7 C. Σ αυτή τη θερμοκρασία ο ηλεκτρολύτης είναι λιωμένος. Στην άνοδο χρησιμοποιείται νικέλιο (Ni) και στην κάθοδο οξείδια του νικελίου. Η χρήση ευγενών μετάλλων δεν είναι απαραίτητη και λόγω της υψηλής θερμοκρασίας είναι δυνατή η χρήση διαφόρων υδρογονανθράκων ως καύσιμα, η επεξεργασία των οποίων μπορεί να γίνει στο εσωτερικό της κυψέλης (internal reforming). Οι κυψέλες αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως σε μεγάλες σταθερές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Είναι μεγάλες σε μέγεθος, βαριές και αργούν να ξεκινήσουν. Με αυτό το είδος είναι δυνατή η χρήση διαφόρων καυσίμων. Είναι 17

δυνατόν να χρησιμοποιηθεί και άνθρακας (DCFC). Έχουν χρησιμοποιηθεί αρκετά έως τώρα αλλά τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον μειώθηκε. Πλεονεκτήματα: 1) Δεν χρειάζονται ηλεκτρο καταλύτες από ακριβά υλικά λόγω της υψηλής θερμοκρασίας 2) Πολλοί υδρογονάνθρακες καθώς και το CO μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα εξαιτίας των αντιδράσεων που συμβαίνουν στο εσωτερικό της κυψέλης (internal reforming). 3) Υψηλή απόδοση που ξεπερνάει το 45%. 4) Χρήση της παραγόμενης θερμότητας σε κάποιο άλλο θερμοδυναμικό κύκλο αυξάνοντας τη συνολική απόδοση πάνω από 55%. Μειονεκτήματα: 1) Ο ηλεκτρολύτης προκαλεί διαβρώσεις και έτσι απαιτούνται ανθεκτικά υλικά 2) Η υψηλή θερμοκρασία έχει αρνητικές επιπτώσεις στη διάρκεια ζωής της κυψέλης καυσίμου και στην μηχανική αντοχή των υλικών. 3) Στην κάθοδο χρειάζεται είσοδος CO 2. Έτσι αυξάνεται το κόστος των συσκευών του συστήματος αφού γίνεται πολυπλοκότερο. Το CO 2 προέρχεται συνήθως από το καύσιμο που εισάγεται στην άνοδο, αν βέβαια το καύσιμο περιέχει CO 2, αφού γίνει διαχωρισμός του από τις υπόλοιπες ουσίες. 4) Η αντίσταση που παρουσιάζουν οι κυψέλες είναι αρκετά υψηλή με αποτέλεσμα η πυκνότητα ισχύος να περιορίζεται σε 1 2 mw/cm 2. 2.4.5 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Ο ηλεκτρολύτης είναι κάποιο στερεό, μη πορώδες οξείδιο μετάλλου. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι 6 1 C. Τα ιόντα που μεταφέρονται είναι ιόντα οξυγόνου. Αρχικά η μειωμένη αγωγιμότητα οδηγούσε σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας κοντά στους 1 C. Αργότερα όμως κατασκευάστηκαν ηλεκτρολύτες με μικρότερο πάχος και έγινε δυνατή η λειτουργία σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (65 85 C). Έτσι έγινε δυνατή η κατασκευή πιο φτηνών και με υψηλότερη απόδοση τέτοιου είδους κυψελών καυσίμου. Χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές όπως παραγωγή ενέργειας από σταθερές μονάδες, βοηθητικές πηγές ενέργειας για οχήματα (Auxiliary Power Unit) και σε άλλες ειδικές εφαρμογές. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης και στη Διανεμημένη Παραγωγή. Ήταν το πρώτο είδος κυψελών καυσίμου που χρησιμοποιήθηκαν πριν και από τις AFC το 195. 18

Πλεονεκτήματα: 1) Επειδή ο ηλεκτρολύτης είναι στερεός η κυψέλη μπορεί να πάρει διάφορα σχήματα όπως π.χ. κυλινδρική 2) Εξαιτίας του στερεού ηλεκτρολύτη δεν υπάρχουν προβλήματα διάβρωσης 3) Εξαιτίας και πάλι του στερεού ηλεκτρολύτη δεν υπάρχουν προβλήματα στην επαφή του καυσίμου με το ηλεκτρόδιο και τον ηλεκτρολύτη ταυτόχρονα και επιπλέον δεν υπάρχει πρόβλημα «πλημμύρας» (flooding) του ηλεκτρολύτη. 4) Το CO μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο όπως στις MCFC. 5) Αντίθετα με τις MCFC δεν χρειάζεται CO 2 στην κάθοδο. 6) Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή δεν είναι ιδιαίτερα ακριβά. 7) Μπορούν να επιτευχθούν υψηλές πυκνότητες ρεύματος παρόμοιες με τις PEFC. 8) Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας είναι δυνατή η χρήση της παραγόμενης θερμότητας για συμπαραγωγή ή σε κάποιο θερμοδυναμικό κύκλο. 9) Υψηλές από αποδόσεις από 4% μέχρι και πάνω από 5% με τη δυνατότητα να ξεπεραστεί το 6% σε υβριδικά συστήματα όπως και με τις MCFC. Μειονεκτήματα: 1) Προβλήματα με τα διάφορα υλικά λόγω υψηλής θερμοκρασίας κατά την επιλογή τους καθώς και κατά την κατασκευή. 2) Μειωμένη διάρκεια ζωής. 2.4.6 Γενικά Πλεονεκτήματα των Κυψελών Καυσίμου: 1) Απ ευθείας μετατροπή από χημική σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να προηγείται καύση του καυσίμου και μετατροπή της θερμικής σε μηχανική ενέργεια. 2) Υψηλές αποδόσεις από 3 ως 55%. 3) Υψηλές αποδόσεις ακόμα και σε κατάσταση λειτουργίας όπου το φορτίο δεν είναι πλήρες. Η απόδοση αυξάνεται σε κατάσταση μερικής λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. 4) Δεν έχουν κινούμενα μέρη, επομένως είναι και αθόρυβη η λειτουργία τους. Βέβαια μπορεί να υπάρχει θόρυβος από τα υπόλοιπα μέρη του συνολικού συστήματος όπως για παράδειγμα συμπιεστές συστήματα ψύξης κτλ. 5) Υπάρχουν είδη κυψελών που μπορούν να λειτουργήσουν και σε χαμηλές θερμοκρασίες. 6) Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα καύσιμα. 7) Οι μονάδες χαμηλής θερμοκρασίας παρουσιάζουν αντοχή. 19

8) Ευκολία στη σύνδεση σε σειρά και παράλληλα πολλών κυψελών ανάλογα με τις ανάγκες του φορτίου και με την αξιοπιστία που απαιτείται. 9) Σχετικά γρήγορη απόκριση στις αλλαγές φορτίου. Σε μερικά δευτερόλεπτα η τάση και η ισχύς της κυψέλης καυσίμου έρχονται στην κατάσταση ισορροπίας. Με την χρήση ηλεκτρονικών ισχύος και μπαταριών παράλληλα με την κυψέλη καυσίμου είναι δυνατή ακόμα γρηγορότερη απόκριση μέσα σε δεκάδες ή εκατοντάδες ms. Παρακάτω θα αναλυθεί εκτενέστερα η απόκριση της κυψέλης σε αλλαγές φορτίου. 2.4.7 Γενικά Μειονεκτήματα των Κυψελών Καυσίμου: 1) Υψηλό αρχικό κόστος επένδυσης. 2) Δεν υπάρχουν πολλά στοιχεία αντοχής και διάρκειας ζωής για κυψέλες καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας. 3) Σχετικά νέα τεχνολογία επομένως δεν είναι δοκιμασμένη σε μεγάλο βαθμό. Χρειάζεται έρευνα σε ορισμένους τομείς όπως για παράδειγμα στη βελτίωση των υλικών. 4) Δεν υπάρχουν κατάλληλες υποδομές για τη μεταφορά υδρογόνου. Στον πίνακα 2.1 φαίνονται συγκεντρωτικά τα υλικά κατασκευής, οι θερμοκρασίες λειτουργίας και άλλες πληροφορίες για τα διάφορα είδη κυψελών καυσίμου [1]. 2

Ηλεκτρολύτης PEFC AFC PAFC MCFC SOFC ΚΟΗ σε πίνακα Κεραμικός από αμίαντο Ενυδατωμένη μεμβράνη από πολυμερές που επιτρέπει την ανταλλαγή ιόντων Ηλεκτρόδια Από άνθρακα Από στοιχεία μετάπτωσης* Υγρό φωσφορικό οξύ μέσα σε SiC Υγρό λειωμένο ανθρακικό άλας σε LiAlO 2 Άνθρακας Νικέλιο + οξείδια του νικελίου Καταλύτης Λευκόχρυσος Λευκόχρυσος Λευκόχρυσος Όμοια με ηλεκτρόδια Εσωτερικοί σύνδεσμοι (interconnects) Θερμοκρασία λειτουργίας Από άνθρακα ή μεταλλικοί Μεταλλικοί Γραφίτης Ανοξείδωτο ς Χάλυβας ή νικέλιο Κεραμικά (μείγμα με μέταλλο) Όμοια με ηλεκτρόδια Νικέλιο, κεραμικοί ή χαλύβδινοι 4 8 C 65 22 C 25 C 65 C 6 1 C Ιόντα Η + ΟΗ Η + Ο 2 Εξωτερικός reformer Εξωτερική μετατροπή CO σε υδρογόνο (Water Gas Shift Reaction) Κύρια μέρη κυψέλης Διαχείριση Νερού Διαχείριση θερμότητας Ναι Ναι Ναι Όχι. Μόνο σε μερικά καύσιμα Ναι + καθαρισμός για απομάκρυνση του CO Με βάση άνθρακα Ναι + καθαρισμός για απομάκρυνση του CO και CO 2 Με βάση άνθρακα Ναι Όχι Όχι Με βάση γραφίτη Από ανοξείδωτα υλικά Όχι. Μόνο σε μερικά καύσιμα κεραμικά Εξατμιζόμενο Εξατμιζόμενο Εξατμιζόμενο αέριο αέριο Επεξεργασία καυσίμου + αποβολή σε υγρό ψυκτικό Επεξεργασία καυσίμου + βοήθεια στην κυκλοφορία του ηλεκτρολύτη Επεξεργασία καυσίμου + αποβολή σε υγρό ψυκτικό ή παραγωγή ατμού Επεξεργασί α καυσίμου + εσωτερική διαμόρφωσ η Επεξεργασία καυσίμου + εσωτερική διαμόρφωση Πίνακας 2.1 Γενικές πληροφορίες για τα διάφορα είδη κυψελών καυσίμου. *Στα στοιχεία μετάπτωσης ανήκουν για παράδειγμα ο ψευδάργυρος, το κοβάλτιο, ο σίδηρος, ο άργυρος και ο λευκόχρυσος. 21

Στον πίνακα 2.2 παρουσιάζονται τα καύσιμα για τα διάφορα είδη κυψελών καυσίμου [1]. Αέριες PEFC AFC PAFC MCFC SOFC ουσίες H 2 Καύσιμο Καύσιμο Καύσιμο Καύσιμο Καύσιμο CO Δηλητήριο (αναστρέψιμο) μέγιστο 5ppm Δηλητήριο Δηλητήριο (πρέπει <.5%) Καύσιμο Καύσιμο CH 4 Διαλύτης Δηλητήριο Διαλύτης Διαλύτης Καύσιμο CO 2 + Διαλύτης Δηλητήριο Διαλύτης Διαλύτης Διαλύτης H 2 O S ως (H 2 S + COS) Δηλητήριο (ανεπαρκείς μελέτες) Δηλητήριο Δηλητήριο (πρέπει <5ppm) Δηλητήριο (πρέπει <.5ppm) Δηλητήριο (πρέπει <1ppm) Πίνακας 2.2 Καύσιμα κυψελών καυσίμου Παρατήρηση: Όταν μπορεί να χρησιμοποιηθεί το CO ως καύσιμο η αντίδραση που συμβαίνει στο εσωτερικό της κυψέλης είναι η παρακάτω: CO + H 2 O H 2 + CO 2 (water gas shift equation) (2.1) Η αντίδραση αυτή πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες είτε στο εσωτερικό της κυψέλης, για κυψέλες υψηλής θερμοκρασίας όπως οι SOFC και οι MCFC, είτε σε κάποιον εξωτερικό επεξεργαστή καυσίμου (reformer). Στον πίνακα 2.3 παρουσιάζονται οι αντιδράσεις που συμβαίνουν στην άνοδο και στην κάθοδο των διαφόρων ειδών κυψελών καυσίμου [1]. Είδος Κυψέλης Αντίδραση Ανόδου Αντίδραση Καθόδου Καυσίμου PEM + PAFC Η 2 2Η + + 2e 1/2O 2 + 2H + + 2e H 2 O AFC Η 2 + 2H 2 O +2e 1/2O 2 + H 2 O + 2e 2(OH) MCFC Η 2 + H 2 O + CO 2 +2e CO + 2CO 2 + 2e 1/2O 2 + CO 2 +2e 2 3 SOFC H 2 + O 2 H 2 O +2e CO + O 2 CO 2 + 2e CH 4 + 4 O 2 2H 2 O + CO 2 + 8e 1/2O 2 + 2e O 2 Πίνακας 2.3 Αντιδράσεις στην άνοδο και κάθοδο των διαφόρων κυψελών καυσίμου. 22

Παρατήρηση: Τα ιόντα που διαπερνούν τη μεμβράνη είναι διαφορετικά για κάθε είδος και μπορεί να είναι αρνητικά ή και θετικά. Η μεμβράνη όπως φαίνεται αποτελεί μέρος του ηλεκτρικού κυκλώματος και άρα η αντίσταση της είναι σημαντική για τις απώλειες της κυψέλης. Από τα παραπάνω είδη που παρουσιάστηκαν περισσότερο ενδιαφέρον φαίνεται να παρουσιάζουν οι PEMFC και οι SOFC ιδιαίτερα για εφαρμογή στη διανεμημένη παραγωγή. Το εύρος ισχύος που διαθέτουν συνήθως μονάδες PEMFC είναι από 1kW μέχρι 1MW ενώ οι SOFC από 5kW έως 3MW. Βέβαια τα μεγέθη ποικίλουν και επιπλέον μπορούν να συνδυαστούν πολλές κυψέλες σε σειρά ώστε να σχηματίσουν στοίβες (stacks) και στη συνέχεια να συνδεθούν πολλές στοίβες παράλληλα δίνοντας μεγάλο εύρος ισχύος. Οι αποδόσεις για τις PEMFC κυμαίνονται από 34 36% ενώ για τις SOFC είναι αρκετά υψηλότερες 45 65%. Η ανάλυση που θα ακολουθήσει αναφέρεται σε μια Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) λόγω της διάδοσης του συγκεκριμένου είδους, της απλότητας του καυσίμου και επομένως των αντιδράσεων στο εσωτερικό της κυψέλης. Επίσης υπάρχει και μια πληθώρα μοντέλων και άρα στοιχείων που αναφέρονται σε PEMFC. 2.5 Αναλυτική παρουσίαση μιας PEMFC Βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται μια PEMFC 1) Μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων (Proton Exchange Membrane) 2) Πορώδες στρώμα (Porous Backing Layer ή αλλιώς Gas Diffusion Layer) 3) Ηλεκτρο καταλύτης (ηλεκτρόδια) που βρίσκεται ανάμεσα στα δυο παραπάνω στρώματα 4) Πλάκες ροής καυσίμου και οξειδωτικής ουσίας και σύνδεσης των κυψελών μεταξύ τους (interconnects και Flowplates) Παρακάτω παρατίθενται σχήματα όπου φαίνονται τα μέρη μιας PEMFC. 23

Σχήμα 2.2 Τομής μιας PEMFC Σχήμα 2.3 Σχηματική παρουσίαση των μερών μιας PEMFC 2.5.1 Μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων (Proton Exchange Membrane) Βασική λειτουργία της είναι να επιτρέπει σε ιόντα να τη διαπερνούν ενώ ταυτόχρονα διαχωρίζει φυσικά τα αντιδρώντα από τα προϊόντα. Το υλικό είναι μονωτής. Η μεταφορά ιόντων γίνεται μέσω ομάδων ιόντων μέσα στο πολυμερές και εξαρτάται από την ποσότητα νερού που βρίσκεται δεσμευμένη ή ελεύθερη μέσα στο πολυμερές. 24

Το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται η μεμβράνη είναι πλήρως φθοριωμένο Teflon. Χαρακτηρίζεται από το ισοδύναμο βάρος του που είναι αντιστρόφως ανάλογο με την ικανότητα αγωγής ιόντων. Συνηθισμένες τιμές για το ισοδύναμο βάρος είναι 8 11 milliequivalents / στερεό γραμμάριο πολυμερούς. Αυτό σημαίνει ότι 8 11 mg του πολυμερούς από το οποίο είναι κατασκευασμένη η μεμβράνη μπορούν να αντιδράσουν με 1 mol ιόντα υδρογόνου. Το εμπορικό όνομα με το οποίο κυκλοφορούν οι μεμβράνες είναι Nafion 117. Το 117 είναι το πιο συνηθισμένο, μπορεί να είναι για παράδειγμα 115 ή 118 και συναντάται σε διαφορετικό πάχος σε διάφορες κυψέλες, π.χ. 178 μm, και συνήθως ο αριθμός συνδέεται με το πάχος [7]. Οι μεμβράνες αυτές παρουσιάζουν υψηλή χημική και θερμική σταθερότητα. Επίσης αντέχουν σε επαφή με ισχυρές βάσεις και οξειδωτικές ουσίες, όπως είναι και το υδρογόνο και το οξυγόνο. Τέλος παρουσιάζουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Βέβαια η διάρκεια αυτή πρέπει να αυξηθεί κι άλλο όσον αφορά τις κυψέλες καυσίμου. Σε συνθήκες εργαστηρίου έχει καταγραφεί λειτουργία κυψελών καυσίμου σε συνθήκες φορτίου κοντά στην πραγματικότητα είτε για χρήση σε οχήματα είτε σε σταθερά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πάνω από 2 ώρες συνεχόμενα. Ο ρυθμός μείωσης της τάσης λόγω γήρανσης ήταν περίπου 4 έως 6 μv/hr που αντιστοιχεί σε.67 1% κάθε 1 ώρες. Στόχος για σταθερά εργοστάσια είναι να επιτευχθεί το.1% για 1 ώρες λειτουργίας. Σε πραγματικές όμως συνθήκες σε ολοκληρωμένα συστήματα κυψελών καυσίμου κάτω από πραγματικές συνθήκες φορτίου η διάρκεια ζωής μειώνεται στις 8 ώρες περίπου και ο ρυθμός μείωσης της τάσης είναι αρκετές μονάδες % κάθε 1 ώρες. 2.5.2 Πορώδες στρώμα (Porous Backing Layer ή αλλιώς Gas Diffusion Layer) Η μεμβράνη βρίσκεται ανάμεσα σε δύο λεπτά στρώματα πορώδους υλικού. Οι λειτουργίες των στρωμάτων αυτών είναι: 1) Να διαχέουν τα αέρια, δηλαδή το καύσιμο και την οξειδωτική ουσία. 2) Να στηρίζουν μηχανικά τη μεμβράνη. 3) Να είναι ηλεκτρικά αγώγιμα ώστε να προσφέρουν δρόμο για τη διαφυγή των ηλεκτρονίων. 4) Να διοχετεύουν το νερό που παράγεται μακριά από τα ηλεκτρόδια. Το υλικό που χρησιμοποιείται έχει συνήθως ως βάση τον άνθρακα μαζί με κάποιο υδροφοβικό υλικό το οποίο αποτρέπει τη συγκέντρωση του νερού ώστε να μπορούν τα αέρια να έρχονται ελεύθερα σε επαφή με τον καταλύτη. 25

2.5.3 Ηλεκτρο καταλύτης Το στρώμα αυτό βρίσκεται σε άμεση επαφή και με την μεμβράνη και με το πορώδες στρώμα. Στην ουσία είναι το ηλεκτρόδιο της κυψέλης καυσίμου. Ο καταλύτης είναι συνήθως λευκόχρυσος και μπορεί να εφαρμοστεί είτε στην μεμβράνη είτε στο πορώδες στρώμα. Στις PEMFC που χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο ο λευκόχρυσος μπορεί να υποστηρίζεται από άνθρακα ή γραφίτη. Όταν το καύσιμο δεν είναι καθαρό υδρογόνο ο καταλύτης είναι μείγμα λευκόχρυσου με ρουθήνιο. Συνήθως το καύσιμο περιέχει Η 2, CO 2, CO, N 2. Στην κάθοδο χρησιμοποιείται λευκόχρυσος είτε μόνος του είτε υποστηριζόμενος από άνθρακα ή γραφίτη. Λόγω του υψηλού κόστους του λευκόχρυσου γίνεται προσπάθεια να μειωθεί η ποσότητα που απαιτείται. Συνηθισμένη πλέον τιμή είναι 1 mg Pt/cm 2 συνολικά και στην άνοδο και στην κάθοδο. Η ύπαρξη λευκόχρυσου είναι αυτή που δεν επιτρέπει την ύπαρξη CO στο καύσιμο. Ύπαρξη CO ακόμη και 1ppm μειώνει την απόδοση γιατί είναι «δηλητήριο» για τον καταλύτη στις χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας των PEMFC. Τα προβλήματα μειώνονται πάνω από τους 125 C αλλά οι PEMFC λειτουργούν συνήθως στους 6 8 C. Βέβαια τα αποτελέσματα από την ύπαρξη CO είναι αναστρέψιμα ως ένα βαθμό αν για κάποιο διάστημα χρησιμοποιηθεί υδρογόνο ως καύσιμο. Μετά τον επεξεργαστή καυσίμου (reformer) το καύσιμο συνήθως περιέχει περίπου 1% CO και άρα χρειάζεται επιπλέον καθαρισμό για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί σε μια PEMFC. Τέλος γίνονται προσπάθειες για χρήση άλλων υλικών στη μεμβράνη ώστε να αποφευχθεί το πρόβλημα της «αφυδάτωσης» της μεμβράνης στις υψηλές θερμοκρασίες και τελικά να αυξηθεί η θερμοκρασία λειτουργίας στους 12 C. 2.5.4 Πίεση και θερμοκρασία λειτουργίας Συνήθως οι PEMFC λειτουργούν σε θερμοκρασία 6 8 C και πίεση.1 1 Mpa που αντιστοιχούν σε.98 9.8 atm. Υπάρχει μια προτίμηση για κυψέλες που λειτουργούν σε πίεση ίση με αυτή της ατμόσφαιρας. 2.5.5 Διαχείριση Νερού Όπως έχει προαναφερθεί για να ολοκληρωθεί η αντίδραση πρέπει το καύσιμο να έρθει σε επαφή ταυτόχρονα και με το ηλεκτρόδιο και με τον ηλεκτρολύτη. Επειδή στις PEMFC ο ηλεκτρολύτης δεν είναι υγρός και δεν μπορεί να γεμίσει τις περιοχές ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και στον ηλεκτρολύτη, η ύπαρξη 26

νερού είναι απαραίτητη για την πραγματοποίηση της αντίδρασης. Όταν η μεμβράνη είναι πλήρως ενυδατωμένη η απόδοση της κυψέλης αυξάνεται γιατί δημιουργούνται περισσότερες περιοχές που είναι δυνατή η αντίδραση. Υπάρχει όμως ένα σημείο το οποίο αν ξεπεραστεί ο ηλεκτρολύτης «πλημμυρίζει» και το νερό εμποδίζει την επαφή του αερίου με τον ηλεκτρολύτη και το ηλεκτρόδιο. Επομένως ο έλεγχος της ποσότητας του νερού είναι πολύ σημαντικός. Κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου όταν ένα πρωτόνιο διαπερνά τη μεμβράνη μεταφέρει περίπου 2.5 μόρια νερού από την άνοδο στην κάθοδο. Η παραπάνω αναλογία είναι μια εκτίμηση και εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, ένας από τους οποίους είναι και το υλικό της μεμβράνης. Όπως είναι φανερό όταν η κυψέλη λειτουργεί σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος το πρόβλημα της αφυδάτωσης είναι μεγαλύτερο. Επιπλέον λειτουργία με αφυδατωμένη μεμβράνη μπορεί να μειώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μεμβράνης. 2.5.6 Προβλήματα με αέρια ανόδου Εκτός από το πρόβλημα με το CO που προαναφέρθηκε, η ύπαρξη CO 2 μπορεί να οδηγήσει σε αντίδραση με υδρίδια που έχουν απορροφηθεί από τον λευκόχρυσο του καταλύτη μειώνοντας την απόδοση. Άλλες ουσίες που μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα είναι η αμμωνία η οποία προκαλεί προβλήματα στη μεμβράνη, κάποια αλκαλικά μέταλλα που προκαλούν «δηλητηρίαση» του καταλύτη και προβλήματα στη μεμβράνη και τέλος κάποιοι βαριοί υδρογονάνθρακες που μπορούν να «δηλητηριάσουν» τον καταλύτη. Ακόμα και μερικά ppb από τις προηγούμενες ουσίες μπορεί να δημιουργήσουν πρόβλημα στη διάρκεια ζωής του καταλύτη και επομένως του της κυψέλης καυσίμου. 2.5.7 Προβλήματα με αέρια καθόδου Όταν χρησιμοποιείται αέρας και όχι οξυγόνο είναι απαραίτητη η αύξηση της απόδοσης της καθόδου ιδιαίτερα όταν η κυψέλη λειτουργεί σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος. Όταν έχουμε υψηλή πυκνότητα ρεύματος η ιοντική διαπερατότητα της μεμβράνης μειώνεται. Επιπλέον το άζωτο που υπάρχει στον αέρα δημιουργεί ένα στρώμα το οποίο δημιουργεί επιπλέον προβλήματα. Η χρήση καθαρού οξυγόνου μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερες πυκνότητες ρεύματος οι οποίες θεωρητικά φτάνουν μέχρι 2Α/cm 2. Ακολουθεί το διάγραμμα 2.1 όπου φαίνονται οι αποδόσεις για διάφορα καύσιμα/οξειδωτικές ουσίες, θερμοκρασίες, πιέσεις [1]. 27

Διάγραμμα 2.1 Αποδόσεις για διάφορα καύσιμα/οξειδωτικές ουσίες, θερμοκρασίες και πιέσεις 2.6 Συστήματα Κυψελών Καυσίμου Ένα σύστημα κυψέλης καυσίμου περιλαμβάνει τον έλεγχο του καυσίμου, της οξειδωτικής ουσίας, της ποσότητας νερού στη μεμβράνη, της θερμοκρασίας και της απόδοσης. Σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό του συστήματος έχει το καύσιμο. 2.6.1 Απ ευθείας χρήση καθαρού υδρογόνου Ο έλεγχος του νερού και της θερμότητας παίζουν σημαντικό ρόλο. Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός τέτοιου συστήματος είναι εναλλάκτες θερμότητας, υγραντήρες και συμπυκνωτές. Το σύστημα είναι σχετικά απλό. Όμως υπάρχει πρόβλημα με τη δεξαμενή καυσίμου. Διάφορες μέθοδοι έχουν προταθεί, όπως συμπίεση και αποθήκευση του υδρογόνου, αποθήκευση σε υγρή μορφή, αποθήκευση σε υδρίδια μετάλλων και χημική αποθήκευση. Βέβαια η προέλευση του υδρογόνου είναι ένα άλλο ζήτημα αφού δεν είναι τόσο εύκολα διαθέσιμο όπως άλλοι υδρογονάνθρακες. Στο σχήμα 2.4 παρουσιάζεται ένα σύστημα που χρησιμοποιεί απ ευθείας υδρογόνο ως καύσιμο [1]. 28

Σχήμα 2.4 Σύστημα κυψέλης καυσίμου με καύσιμο καθαρό υδρογόνο 2.6.2 Συστήματα που βασίζονται σε επεξεργαστές καυσίμου (reformers) Επειδή όπως αναφέρθηκε παραπάνω η χρήση υδρογονανθράκων ως καύσιμα είναι πιο διαδεδομένη ιδιαίτερα για σταθερές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται στη διανεμημένη παραγωγή, είναι απαραίτητα συστήματα που επεξεργάζονται υδρογονάνθρακες και τους μετατρέπουν σε αέριο υψηλής περιεκτικότητας σε υδρογόνο. Επιπλέον παρακάμπτεται το πρόβλημα της αποθήκευσης του υδρογόνου. Οι επιπλέον απαιτήσεις που παρουσιάζει ένα τέτοιο σύστημα είναι: 1) Μονάδα προθέρμανσης και αεριοποίησης του καυσίμου η οποία πολλές φορές είναι ενωμένη με τον αναμορφωτή (reformer). 2) Αναμορφωτής (Reformer). Η μονάδα αυτή μετατρέπει το καύσιμο, το οποίο αποτελείται από διάφορους υδρογονάνθρακες και αλκοόλες, σε αέριο μείγμα υψηλής περιεκτικότητας σε υδρογόνο με λίγο CO. Οι κυριότεροι τύποι αναμορφωτών είναι: a. Partial Oxidation Reformer (POX) όταν η οξειδωτική ουσία είναι ο αέρας b. Steam Reformer (SR) όταν η οξειδωτική ουσία είναι ατμός c. Autothermal Reformer (ATR) όταν η οξειδωτική ουσία είναι μείγμα αέρα και ατμού Οι POX reformers είναι μικρότεροι, φθηνότεροι, ανταποκρίνονται γρηγορότερα και δέχονται μεγάλο εύρος καυσίμων. Οι SR έχουν μεγαλύτερη απόδοση. Οι ATR και οι Catalytic POX, οι οποίοι είναι παρόμοιοι με τους POX, έχουν τα εξής πλεονεκτήματα: στο εσωτερικό τους συμβαίνει η Water 29

Gas Shift Reaction: CO + H 2 O H 2 + CO 2 Η αντίδραση αυτή είναι σημαντική γιατί το CO είναι «δηλητήριο» για τον καταλύτη στις PEMFC. Επιπλέον προσφέρουν καθαρισμό του καυσίμου από το CO και από το S. Τελικά πρέπει το CO να μειωθεί κάτω από 1 ppm και το S κάτω από 1 ppm. Για τον καθαρισμό του καυσίμου από CO σε μικρές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται συνήθως Selective ή αλλιώς Preferential Oxidation Reformers (PROX) γιατί οι ενεργειακές απαιτήσεις τους είναι σχετικά μικρές. Στη μέθοδο αυτή το καύσιμο μετά τον αναμορφωτή (reformer) αναμιγνύεται με αέρα ή οξυγόνο είτε πριν εισέλθει στην άνοδο είτε μέσα στην ίδια την κυψέλη. Η συνολική απόδοση ενός reformer μπορεί να είναι από 75 9%. Επιπλέον τα συστήματα αυτά αυξάνουν το κόστος το μέγεθος και το βάρος του συνολικού συστήματος μιας κυψέλης καυσίμου. 3) Το υδρογόνο στην άνοδο της κυψέλης πρέπει να αναμιχθεί με CO 2 και στην περίπτωση των POX και ATR με Ν 2. Έτσι το ποσοστό των mol του υδρογόνου στην άνοδο μειώνεται με αποτέλεσμα τη μείωση του ιδανικού δυναμικού και την αύξηση των απωλειών συγκέντρωσης που θα αναφερθούν παρακάτω. 4) Επειδή ακόμη και μετά τον καθαρισμό του καυσίμου υπάρχουν ίχνη CO, S και CO 2 η απόδοση του ηλεκτρο καταλύτη στην άνοδο μειώνεται. Επομένως είναι απαραίτητη η χρήση μεγαλύτερης ποσότητας Pt, συνήθως.4 1 mg/cm 2 επιπλέον, και πάλι η πυκνότητα ρεύματος είναι 3 4% μικρότερη από μια κυψέλη καυσίμου με καθαρό υδρογόνο. Για σταθερά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας προτιμάται συνήθως η χρήση φυσικού αερίου ως καύσιμο και επομένως απαιτείται σύστημα με επεξεργαστή καυσίμου αν και οι PEMFC παρουσιάζουν καλύτερες επιδόσεις με τη χρήση καθαρού υδρογόνου. Παρακάτω παρουσιάζονται σχηματικά τα μέρη ενός συστήματος με επεξεργαστή καυσίμου. 3

Σχήμα 2.5 Σύστημα Κυψέλης Καυσίμου με χρήση εξωτερικού επεξεργαστή καυσίμου 2.6.3 Απ ευθείας χρήση μεθανόλης (Direct Methanol Fuel Cell DMFC) Είναι PEMFC ειδικά κατασκευασμένες ώστε να μπορούν να δεχτούν απ ευθείας μεθανόλη ή κάποιο άλλο παρόμοιο καύσιμο. Το σύστημα θεωρητικά είναι απλό και το καύσιμο υγρό στις συνθήκες του περιβάλλοντος, γεγονός που λύνει τα προβλήματα μεταφοράς και αποθήκευσης. Στην πραγματικότητα όμως η πυκνότητα ρεύματος είναι 18 25 ma/cm 2 σε τάση.25.4v, άρα η πυκνότητα ισχύος είναι 4 1 mw/cm 2 η οποία είναι αρκετά χαμηλή. Ένα επιπλέον πρόβλημα είναι ότι περίπου 3 5% της μεθανόλης, σε περίπτωση που αυτή έχει υψηλή συγκέντρωση, περνάει από την άνοδο στην κάθοδο διαμέσου της μεμβράνης χωρίς να αντιδράσει μειώνοντας έτσι την απόδοση. Για να επιτευχθεί αυτή η σχετικά μικρή απόδοση απαιτείται πολύ μεγαλύτερη χρήση Pt η οποία φτάνει τα 3 5 mg/cm 2. Παρόλα τα προβλήματα η έλλειψη reformer κάνει το είδος αυτό ιδιαίτερα ελκυστικό γι αυτό υπάρχει έντονη ερευνητική δραστηριότητα για τη βελτίωση αυτού του είδους. 31

2.7 Εφαρμογές PEMFC Σε αυτοκίνητα: Οι PEMFC χρησιμοποιούνται ευρέως από κατασκευαστές αυτοκινήτων είτε ως κύριες πηγές ενέργειας είτε ως βοηθητικές σε μεγάλα οχήματα. Ως καύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν το υδρογόνο, η μεθανόλη καθώς και βενζίνη. Στόχοι για την ευκολότερη ενσωμάτωση των κυψελών καυσίμου σε αυτοκίνητα είναι η μείωση του όγκου και του βάρους, αύξηση της διάρκειας ζωής, της αξιοπιστίας και της ανθεκτικότητας, μείωση του κόστους και τέλος δημιουργία υποδομών για την ασφαλή μεταφορά και φύλαξη του υδρογόνου. Διανεμημένη Παραγωγή: Συνήθως προτιμούνται για μικρά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από 1 έως 1 kw. Τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι φυσικό αέριο ή προπάνιο. Τυπικές αποδόσεις των συνολικών συστημάτων είναι από 25 έως 32% και με χρήση για συμπαραγωγή μπορούν να φτάσουν το 8%, αν και η χαμηλή θερμοκρασία δεν ευνοεί την χρήση PEMFC για συμπαραγωγή σε σχέση με άλλα είδη κυψελών καυσίμου. Από δοκιμές η διάρκεια ζωής έχει ξεπεράσει τις 8 ώρες με πτώση τάσης λόγω γήρανσης γύρω στο 5% κάθε 1 ώρες. Φορητές Συσκευές: Υπάρχουν διάφορες αναφορές για χρήση κυψελών καυσίμου αντί για μπαταρίες σε φορητές συσκευές όπως π.χ. σε φορητούς υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα κτλ. Οι PEMFC παρουσιάζουν υψηλή πυκνότητα ισχύος και μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλές θερμοκρασίες οπότε είναι κατάλληλες για τέτοιου είδους χρήση. 2.8 Σύνδεση με το δίκτυο ή με φορτίο 2.8.1 Σύνδεση κυψελών για παροχή ενέργειας σε απομονωμένα φορτία Η τάση εξόδου μιας κυψέλης καυσίμου είναι dc. Επομένως για τη σύνδεσή της με το δίκτυο είναι απαραίτητη η χρήση ενός μετατροπέα ηλεκτρονικών ισχύος. Συνήθως χρησιμοποιείται αρχικά ένας μετατροπέας ανύψωσης dc dc για να αυξήσει και να σταθεροποιήσει την τάση ή πιο σπάνια χρησιμοποιούνται choppers για τον υποβιβασμό και τη σταθεροποίηση της τάσης. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται ένας αντιστροφέας για να τη μετατρέψει σε εναλλασσόμενη με την επιθυμητή συχνότητα. Έχουν προταθεί διάφορες τοπολογίες μερικές από τις οποίες παρουσιάζονται σχηματικά παρακάτω [1]. 32

Σχήμα 2.6 Απλός μετατροπέας ηλεκτρονικών ισχύος για τη σύνδεση κυψέλης καυσίμου με μεμονωμένο φορτίο (μετατροπέας dc dc ανύψωσης, αντιστροφέας και μετασχηματιστής). Στην παραπάνω τοπολογία (σχήμα 2.6) χρησιμοποιείται ένας απλός dc dc μετατροπέας ανύψωσης για την ανύψωση και σταθεροποίηση της dc τάσης. Στην έξοδο του μετατροπέα ανύψωσης μπορούν να τοποθετηθούν μπαταρίες για την παροχή ρεύματος σε περίπτωση απότομης και μεγάλης ζήτησης όπως για παράδειγμα στην εκκίνηση ενός κινητήρα. Στην ουσία οι μπαταρίες παρέχουν ισχύ όταν η κυψέλη καυσίμου δεν μπορεί να αυξήσει παραπάνω την ισχύ εξόδου της ή όταν ο ελεγκτής του καυσίμου δεν προλάβει να ανταποκριθεί στη ζήτηση ισχύος. Όταν η ζήτηση του φορτίου είναι μικρή η κυψέλη καυσίμου φορτίζει τις μπαταρίες. Στη συνέχεια τοποθετείται ένας αντιστροφέας ο οποίος μετατρέπει την συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη. Στο σχήμα είναι μονοφασικός αλλά στην πραγματικότητα μπορεί να είναι και τριφασικός. Τέλος η τάση ανυψώνεται μέσω ενός μετασχηματιστή. Οι τιμές που φαίνονται στο σχήμα είναι ενδεικτικές. Μειονεκτήματα τις παραπάνω τοπολογίας είναι η περιορισμένη συνήθως τάση που οδηγεί σε υψηλά ρεύματα, άρα και σε υψηλές απώλειες, καθώς και το μεγάλο μέγεθος και βάρος του μετασχηματιστή. Σχήμα 2.7 Πολύπλοκος μετατροπέας ηλεκτρονικών ισχύος για τη σύνδεση κυψέλης καυσίμου με μεμονωμένο φορτίο (μετατροπέας dc dc ανύψωσης, push pull και αντιστροφέας). 33

Στο σχήμα 2.7 ο μετατροπέας είναι πιο πολύπλοκος. Αρχικά χρησιμοποιείται ένας μετατροπέας ανύψωσης και στη συνέχεια ένας ακόμη μετατροπέας dc dc τύπου push pull παράλληλα με μπαταρίες. Πρώτα η συνεχής τάση μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη υψηλής συχνότητας, στη συνέχεια ένας μετασχηματιστής ο οποίος είναι μικρός σε μέγεθος ελαφρύς και φτηνός ανυψώνει την τάση και τέλος μια γέφυρα ανορθώνει την εναλλασσόμενη και την μετατρέπει σε συνεχή με μεγάλο πλάτος. Μετά ένας dc ac αντιστροφέας ξαναμετατρέπει τη συνεχή σε εναλλασσόμενη και συνδέει το σύστημα με το δίκτυο αφού πρώτα προηγηθούν φίλτρα για τη μείωση των αρμονικών. Ο αντιστροφέας μπορεί να είναι είτε μονοφασικός είτε τριφασικός. Το σύστημα μπορεί να απλουστευθεί αφαιρώντας τον πρώτο μετατροπέα ανύψωσης dc dc. Σχηματικά το απλουστευμένο σύστημα απεικονίζεται στο σχήμα 2.8: Σχήμα 2.8 Απλοποιημένος μετατροπέας ηλεκτρονικών ισχύος για τη σύνδεση κυψέλης καυσίμου με μεμονωμένο φορτίο (push pull και αντιστροφέας). Γενικά αντί για μπαταρίες υπάρχουν διάφορες μελέτες που προτείνουν τη χρήση πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας (Ultra Capacitors). Οι πυκνωτές αυτοί όπως και οι μπαταρίες μπορούν να παρέχουν άμεσα την ισχύ που μπορεί τυχόν να ζητηθεί. 2.8.2 Χρήση κυψελών καυσίμου ως UPS (Uninterruptable Power Supply) Στα σχήματα 2.9 και 2.1 που ακολουθούν φαίνονται τοπολογίες για τη σύνδεση δύο μονάδων κυψελών καυσίμου ως UPS. 34