ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΚΑΡΟΥΝΤΑ ΑΡΓΥΡΩ Α.Μ. 277 ΜΗΤΣΑΚΗ ΤΑΤΙΑΝΑ Α.Μ. 309 ΠΑΠΑΖΑΦΕΙΡΑΤΟΥ ΙΦΙΓΕΝΕΙΑ Α.Μ.322
ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Οι κυψέλες καυσίμου είναι συσκευές οι οποίες μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων μετατρέπουν απευθείας την εσωτερική ενέργεια ενός καυσίμου σε ηλεκτρική χωρίς να απαιτείται καύση ούτε κίνηση κάποιων μηχανικών μερών Καύσιμο +Ο 2 / Καταλύτης Ηλεκτρική ενέργεια + Θερμότητα + Νερό
ΙΣΤΟΡΙΑ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Η πρώτη κυψέλη καύσιμου κατασκευάστηκε το 1839 από τον Sir William Grove Η πρώτη χρήση της κυψέλης καυσίμου με επιτυχία έγινε για πρώτη φορά το 1932 από το Francis Bacon ο οποίος χρησιμοποίησε ένα αλκαλικό σύστημα κυψελών καυσίμου Σημαντικό ενδιαφέρον για τις κυψέλες καυσίμου παρουσιάσθηκε μετά την δεκαετία του 1960 όπου οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν στις διαστημικές αποστολές Gemini και Apollo
Πλεονεκτήματα - μειονεκτήματα κυψελών καυσίμου Πλεονεκτήματα Υψηλή απόδοση > 60% Πολύ αποδοτικές για την μετατροπή των καυσίμων σε ηλεκτρική ενέργεια, ακόμη και σε μερικό φορτίο Χαμηλές εκπομπές (ανάλογα με την πηγή καυσίμων) Χαμηλός θόρυβος
Με τον μεταρρυθμιστή καυσίμου, ποικίλα καύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν Δεν έχουν κανένα περιστρεφόμενο μέρος, άρα είναι αξιόπιστες Άμεση παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας
Μειονεκτήματα Σχετικά υψηλό κόστος αγοράς Υψηλό κόστος συντήρησης (π.χ. αλλαγή του ηλεκτρολύτη) Η μεταρρύθμιση καυσίμων προσθέτει στην πολυπλοκότητα και το κόστος Χρονικοί περιορισμοί ζωής (δεν είναι γνωστός ο πραγματικός χρόνος ζωής ) Χαμηλή διαθεσιμότητα Λίγοι προμηθευτές τεχνολογίας Ελλιπής υποδομή του υδρογόνου
Αρχή λειτουργίας κυψελών καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήματος το οποίο χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο. Είναι αυτές οι οποίες αναλαμβάνουν τη μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Οι κυψέλες καυσίμου τροφοδοτούνται εξωτερικά από καύσιμο, συνήθως αέριο υδρογόνο, παράγοντας έτσι ενέργεια όσο διαρκεί η τροφοδοσία του καυσίμου και έτσι δεν χρειάζονται ποτέ ηλεκτρική επαναφόρτιση.
Η κυψέλη καυσίμου αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, μια άνοδο και μια κάθοδο τα οποία διαχωρίζονται από μία μεμβράνη, η οποία έχει το ρόλο του ηλεκτρολύτη. Μεταξύ αυτής της μεμβράνης και των ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώμα καταλύτη.
ΤΥΠΟΙ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
Τύπος κυψέλης καυσίμου Θερμοκρασία Λειτουργίας [ o C] Ηλεκτρολύτης Αλκαλική κυψέλη καυσίμου (AFC) 70-100 Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) 50-100 Υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου Στερεά πολυμερής μεμβράνη Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC) 160-210 Κυψέλη καυσίμου τηγμένου ανθρακικού άλατος (MCFC) 650 Κυψέλη καυσίμου Στερεού οξειδίου (SOFC) 800-1000 σταθεροποιημένο φωσφορικό οξύ Αλκαλικό-ανθρακικό άλας Κεραμικό οξείδιο Κυψέλη καυσίμου Άμεσης μεθανολης (DMFC) 80 Στερεά πολυμερής μεμβράνη
Αναλυτική περιγραφή κυψέλης PEM Μεμβράνη κυψέλης καυσίμου Μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων της κυψέλης καυσίμου βρίσκεται ο ηλεκτρολύτης. Ο ηλεκτρολύτης ονομάζεται έτσι λόγω της ιδιότητας του να διίσταται σε θετικά και αρνητικά ιόντα. Στην περίπτωση μίας PEM κυψέλης ο ηλεκτρολύτης είναι πλαστικό οργανικό πολυμερές και συνηθέστερα ονομάζεται μεμβράνη. Μία τυπική τέτοια μεμβράνη, είναι το Nafion ( polyperfluorosulfonic acid )
Ηλεκτρόδια κυψέλης καυσίμου Τα ηλεκτρόδια της κυψέλης αποτελούν πολύπλοκες νανοδομές και περιέχουν καταλύτη, πορώδη και ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά. Όλες οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε μία κυψέλη καυσίμου αποτελούνται από δύο επιμέρους ημι-αντιδράσεις. Την οξείδωση του υδρογόνου η οποία πραγματοποιείται στην άνοδο και την αναγωγή του οξυγόνου στην κάθοδο.
Καταλύτης κυψέλης Οι δύο ημιαντιδράσεις, η οξείδωση δηλαδή του υδρογόνου και η αναγωγή του οξυγόνου, χαρακτηρίζονται από χαμηλές ταχύτητες στις χαμηλές θερμοκρασίες όπου λειτουργεί μια PEM κυψέλη καυσίμου και αυτό είναι που κάνει απαραίτητη την παρουσία καταλύτη. Ο καταλύτης όπου έχει μελετηθεί περισσότερο μέχρι στιγμής και για τις δύο αυτές αντιδράσεις είναι ο λευκόχρυσος
ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΥΨΕΛΗΣ Η απόδοση μιας κυψέλης καυσίμου εξαρτάται από τη χημική ενέργεια ή ενέργεια Gibbs (dg 0 ) και την συνολική ενέργεια θερμότητας ή ενθαλπία (dh 0 ). Ο βαθμός απόδοσης μιας κυψέλης δίνεται από τον παρακάτω τύπο : n= dg 0 / dh 0
Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται ο βαθμός απόδοσης της κυψέλης καυσίμου σε σχέση με τον βαθμό απόδοσης του κύκλου Carnot
Εφαρμογές κυψελών καυσίμου Οι κυψέλες καύσιμου μπορούν να τροφοδοτήσουν με ενέργεια οτιδήποτε λειτουργεί με ηλεκτρική ενέργεια. Μερικές εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται κυψέλες καύσιμου είναι : 1. Μεταφορές (Διαστημόπλοια, υποβρύχια, τρένα, λεωφορεία) 2. Φορητές συσκευές ισχύος: Φορητά τηλέφωνα, Laptop, κάμερες και φορητές συσκευές ήχου. 3. Χρησιμοποίηση της κυψέλης καυσίμου για συμπαραγωγή ενέργειας (Παραγωγή θερμότητας και ενέργειας για ξενοδοχεία, νοσοκομεία και σπίτια)
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ FC
ΚΟΣΤΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ FC