Μια κυψέλη καυσίμου είναι ένας μετατροπέας της χημικής δυναμικής ενέργειας (η ενέργεια των μοριακών δεσμών) σε ηλεκτρική ενέργεια. Η συσκευή περιέχει μια κυψέλη εργασίας όπου το καύσιμο είναι αέριο υδρογόνο (H 2) και οξυγόνο (O 2). Τα προϊόντα της αντίδρασης που συμβαίνουν μέσα στο κύτταρο είναι νερό, ηλεκτρισμός και θερμότητα. Τεχνολογικά, οι κυψέλες καυσίμου θα πρέπει να θεωρούνται πιο προηγμένα συστήματα σε σύγκριση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα και ακόμη και τους πυρηνικούς σταθμούς, η λειτουργία των οποίων συνοδεύεται από την απελευθέρωση επιβλαβών υποπροϊόντων.

Δεδομένου ότι το οξυγόνο υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στην ατμόσφαιρα, το μόνο που μένει είναι να προστεθεί υδρογόνο στην κυψέλη καυσίμου. Αυτή η ουσία λαμβάνεται αρκετά εύκολα με τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης στην ομώνυμη συσκευή, που ονομάζεται ηλεκτρολύτης.

Τι είναι ο ηλεκτρολύτης και πώς λειτουργεί;

Μια ηλεκτροχημική συσκευή που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα για να διαχωρίσει τα μόρια στα συστατικά τους άτομα. Οι ηλεκτρολύτες χρησιμοποιούνται ευρέως για το διαχωρισμό του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο.

Η τεχνική της ηλεκτρόλυσης είναι η πιο πολλά υποσχόμενη μέθοδος για την παραγωγή υδρογόνου πολύ υψηλής καθαρότητας (99,999%) λόγω της υψηλής απόδοσης και της γρήγορης δυναμικής απόκρισης σε σύγκριση με κάποιες άλλες μεθόδους.

Το υδρογόνο που παράγεται με ηλεκτρόλυση είναι ποιοτικά καθαρό και επομένως κατάλληλο για χρήση σε κυψέλες καυσίμου.

Ποια σχέδια ηλεκτρολυτών έχουν αναπτυχθεί;

Όπως οι κυψέλες καυσίμου, οι ηλεκτρολύτες κατασκευάζονται με βάση δύο ηλεκτρόδια και έναν ιοντοαγώγιμο ηλεκτρολύτη τοποθετημένο μεταξύ των ηλεκτροδίων. Τέτοιες συσκευές διαφέρουν ως προς τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται.

Δομικό διάγραμμα του ηλεκτρολύτη και εμφάνιση μιας από τις βιομηχανικές επιλογές: 1 – στρώμα καταλύτη. 2 – στρώμα διάχυσης αερίου. 3 – διπολική πλάκα. 4 – μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. 5 - σφραγίδα

Έχουν αναπτυχθεί αρκετοί διαφορετικοί τύποι ηλεκτρόλυσης, είτε χρησιμοποιούνται ήδη στην πράξη είτε στο στάδιο της υλοποίησης. Οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι ηλεκτρόλυσης που παράγουν υδρογόνο είναι:

1. Αλκαλικός ηλεκτρολύτης.
2. Ηλεκτρολυτής μεμβράνης.

Αλκαλικός ηλεκτρολύτης

Αυτός ο τύπος συσκευής λειτουργεί με υγρό καυστικό ηλεκτρολύτη (συνήθως 30% ΚΟΗ). Οι αλκαλικοί ηλεκτρολύτες κατασκευάζονται σε φθηνά μέταλλα () που λειτουργούν ως καταλύτες και έχουν μια αρκετά αξιόπιστη δομή.

Οι αλκαλικοί ηλεκτρολύτες παράγουν υδρογόνο με καθαρότητα 99,8%, λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και παρουσιάζουν υψηλά επίπεδα παραγωγικότητας. Η πίεση λειτουργίας στις εγκαταστάσεις μπορεί να φτάσει τα 30 ATI. Η χαμηλή πυκνότητα ρεύματος διατηρείται κατά τη λειτουργία.

Ηλεκτρολυτής με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (POM).

Ο καταλύτης περιέχει μια πορώδη δομή, έτσι η επιφάνεια της πλατίνας εκτίθεται στο μέγιστο σε υδρογόνο ή οξυγόνο. Η επικαλυμμένη με πλατίνα πλευρά του καταλύτη είναι στραμμένη προς το POM.

Πώς λειτουργεί μια κυψέλη καυσίμου;

Η «καρδιά» της κυψέλης καυσίμου είναι η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (POM). Αυτό το συστατικό επιτρέπει στα πρωτόνια να περάσουν σχεδόν ανεμπόδιστα, αλλά μπλοκάρει τα ηλεκτρόνια.

Έτσι, όταν το υδρογόνο εισέρχεται στον καταλύτη και χωρίζεται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια στέλνονται κατευθείαν στην πλευρά της καθόδου και τα ηλεκτρόνια ακολουθούν μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος.

Κατά συνέπεια, στην πορεία τα ηλεκτρόνια εκτελούν χρήσιμη εργασία:

• ανάψτε μια ηλεκτρική λάμπα,
• περιστρέψτε τον άξονα του κινητήρα,
• φορτίστε την μπαταρία κ.λπ.

Μόνο αφού ακολουθήσουν αυτή τη διαδρομή, τα ηλεκτρόνια συνδυάζονται με πρωτόνια και οξυγόνο στην άλλη πλευρά του κυττάρου, ακολουθούμενα από την παραγωγή νερού.

Ένα πλήρες σύστημα πολλών κυψελών καυσίμου: 1 – δέκτης αερίου. 2 – ψυγείο ψύξης με ανεμιστήρα. 3 – συμπιεστής; 4 – βάση στήριξης. 5 – στοιχείο καυσίμου συναρμολογημένο από πολλές κυψέλες. 6 – ενδιάμεση μονάδα αποθήκευσης

Όλες αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν σε αυτό που ονομάζεται στοίβα μεμονωμένων κυττάρων. Στην πράξη, ένα ολόκληρο σύστημα χρησιμοποιείται συνήθως γύρω από το κύριο στοιχείο, το οποίο είναι μια στοίβα πολλών κελιών.

Η στοίβα είναι ενσωματωμένη σε μια ενότητα που αποτελείται από μέρη:

• διαχείριση καυσίμων, νερού και αέρα,
• ψυκτικός εξοπλισμός,
• Λογισμικό διαχείρισης ψυκτικού.

Αυτή η ενότητα στη συνέχεια ενσωματώνεται σε ένα πλήρες σύστημα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές εφαρμογές.

Λόγω της υψηλής ενεργειακής περιεκτικότητας σε υδρογόνο και της υψηλής απόδοσης των κυψελών καυσίμου (55%), η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τομείς.

Για παράδειγμα, ως εφεδρική παροχή ρεύματος για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όταν διακόπτεται το κύριο ηλεκτρικό δίκτυο.

Προφανή πλεονεκτήματα της τεχνολογίας

Μετατρέποντας τη χημική δυναμική ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, οι κυψέλες καυσίμου εξαλείφουν τον σχηματισμό θερμικών σημείων συμφόρησης (2ος Νόμος Θερμοδυναμικής).

Επομένως, από τη φύση της, αυτή η τεχνολογία θεωρείται πιο αποτελεσματική από τους συμβατικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Έτσι, το κύκλωμα του κινητήρα εσωτερικής καύσης αρχικά μετατρέπει τη χημική δυναμική ενέργεια σε θερμότητα και μόνο τότε επιτυγχάνεται μηχανική εργασία.

Οι άμεσες εκπομπές από τις κυψέλες καυσίμου είναι απλώς νερό και λίγη θερμότητα. Εδώ υπάρχει σημαντική βελτίωση σε σχέση με τους ίδιους κινητήρες εσωτερικής καύσης, που εκτός των άλλων εκπέμπουν και αέρια θερμοκηπίου.

Οι κυψέλες καυσίμου χαρακτηρίζονται από την απουσία κινούμενων μερών. Τέτοια σχέδια πάντα χαρακτηρίζονταν από αυξημένη αξιοπιστία σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς κινητήρες.

Το υδρογόνο παράγεται με τρόπο φιλικό προς το περιβάλλον, ενώ η εξόρυξη και η διύλιση πετρελαιοειδών είναι πολύ επικίνδυνη από τεχνολογική παραγωγική άποψη.

Η κυψέλη καυσίμου είναι μια συσκευή που παράγει αποτελεσματικά θερμότητα και συνεχές ρεύμα μέσω ηλεκτροχημικής αντίδρασης και χρησιμοποιεί καύσιμο πλούσιο σε υδρογόνο. Η αρχή λειτουργίας του είναι παρόμοια με αυτή μιας μπαταρίας. Δομικά, η κυψέλη καυσίμου αντιπροσωπεύεται από έναν ηλεκτρολύτη. Τι το ιδιαίτερο έχει; Σε αντίθεση με τις μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου δεν αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια, δεν χρειάζονται ηλεκτρική ενέργεια για να επαναφορτιστούν και δεν εκφορτίζονται. Οι κυψέλες συνεχίζουν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για όσο διάστημα έχουν παροχή αέρα και καυσίμου.

Ιδιαιτερότητες

Η διαφορά μεταξύ κυψελών καυσίμου και άλλων γεννητριών ηλεκτρικής ενέργειας είναι ότι δεν καίνε καύσιμο κατά τη λειτουργία. Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, δεν απαιτούν ρότορες υψηλής πίεσης και δεν εκπέμπουν δυνατό θόρυβο ή κραδασμούς. Η ηλεκτρική ενέργεια στις κυψέλες καυσίμου παράγεται μέσω μιας αθόρυβης ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Η χημική ενέργεια του καυσίμου σε τέτοιες συσκευές μετατρέπεται απευθείας σε νερό, θερμότητα και ηλεκτρική ενέργεια.

Οι κυψέλες καυσίμου είναι εξαιρετικά αποδοτικές και δεν παράγουν μεγάλες ποσότητες αερίων του θερμοκηπίου. Το προϊόν εκπομπής κατά τη λειτουργία της κυψέλης είναι μια μικρή ποσότητα νερού με τη μορφή ατμού και διοξειδίου του άνθρακα, η οποία δεν απελευθερώνεται εάν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο.

Ιστορία εμφάνισης

Στις δεκαετίες του 1950 και του 1960, η αναδυόμενη ανάγκη της NASA για πηγές ενέργειας για μακροπρόθεσμες διαστημικές αποστολές προκάλεσε μια από τις πιο κρίσιμες προκλήσεις για τις κυψέλες καυσίμου που υπήρχαν εκείνη την εποχή. Τα αλκαλικά κύτταρα χρησιμοποιούν οξυγόνο και υδρογόνο ως καύσιμο, τα οποία μετατρέπονται μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης σε υποπροϊόντα χρήσιμα κατά τη διάρκεια της πτήσης στο διάστημα - ηλεκτρισμό, νερό και θερμότητα.

Οι κυψέλες καυσίμου ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά στις αρχές του 19ου αιώνα - το 1838. Παράλληλα, εμφανίστηκαν οι πρώτες πληροφορίες για την αποτελεσματικότητά τους.

Οι εργασίες σε κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούν αλκαλικούς ηλεκτρολύτες ξεκίνησαν στα τέλη της δεκαετίας του 1930. Κυψέλες με επινικελωμένα ηλεκτρόδια υπό υψηλή πίεση εφευρέθηκαν μόλις το 1939. Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, οι κυψέλες καυσίμου που αποτελούνται από αλκαλικές κυψέλες με διάμετρο περίπου 25 εκατοστών αναπτύχθηκαν για βρετανικά υποβρύχια.

Το ενδιαφέρον γι' αυτά αυξήθηκε τη δεκαετία του 1950-80, που χαρακτηρίστηκε από έλλειψη καυσίμων πετρελαίου. Οι χώρες σε όλο τον κόσμο έχουν αρχίσει να αντιμετωπίζουν ζητήματα ατμοσφαιρικής ρύπανσης και περιβάλλοντος σε μια προσπάθεια να αναπτύξουν φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία παραγωγής κυψελών καυσίμου βρίσκεται επί του παρόντος σε ενεργό ανάπτυξη.

Αρχή λειτουργίας

Η θερμότητα και ο ηλεκτρισμός παράγονται από τις κυψέλες καυσίμου ως αποτέλεσμα μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης που περιλαμβάνει μια κάθοδο, την άνοδο και έναν ηλεκτρολύτη.

Η κάθοδος και η άνοδος διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη αγωγό πρωτονίων. Αφού εισέλθει το οξυγόνο στην κάθοδο και το υδρογόνο στην άνοδο, ξεκινά μια χημική αντίδραση, με αποτέλεσμα τη θερμότητα, το ρεύμα και το νερό.

Διασπάται στον καταλύτη ανόδου, γεγονός που οδηγεί σε απώλεια ηλεκτρονίων. Τα ιόντα υδρογόνου εισέρχονται στην κάθοδο μέσω του ηλεκτρολύτη, ενώ τα ηλεκτρόνια διέρχονται από ένα εξωτερικό ηλεκτρικό δίκτυο και δημιουργούν ένα συνεχές ρεύμα, το οποίο χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του εξοπλισμού. Ένα μόριο οξυγόνου στον καταλύτη καθόδου συνδυάζεται με ένα ηλεκτρόνιο και ένα εισερχόμενο πρωτόνιο, σχηματίζοντας τελικά νερό, το οποίο είναι το μόνο προϊόν της αντίδρασης.

Τύποι

Η επιλογή ενός συγκεκριμένου τύπου κυψέλης καυσίμου εξαρτάται από την εφαρμογή του. Όλες οι κυψέλες καυσίμου χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες - υψηλή θερμοκρασία και χαμηλή θερμοκρασία. Οι τελευταίοι χρησιμοποιούν καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο. Τέτοιες συσκευές τυπικά απαιτούν επεξεργασία του πρωτογενούς καυσίμου σε καθαρό υδρογόνο. Η διαδικασία πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικού εξοπλισμού.

Οι κυψέλες καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας δεν το χρειάζονται γιατί μετατρέπουν το καύσιμο σε υψηλές θερμοκρασίες, εξαλείφοντας την ανάγκη για υποδομή υδρογόνου.

Η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου υδρογόνου βασίζεται στη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς αναποτελεσματικές διαδικασίες καύσης και στη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια.

Γενικές έννοιες

Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω εξαιρετικά αποδοτικής «ψυχρής» καύσης καυσίμου. Υπάρχουν διάφοροι τύποι τέτοιων συσκευών. Η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία θεωρείται ότι είναι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου-αέρα εξοπλισμένες με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων PEMFC.

Η μεμβράνη πολυμερούς αγώγιμου πρωτονίου έχει σχεδιαστεί για να διαχωρίζει δύο ηλεκτρόδια - την κάθοδο και την άνοδο. Κάθε ένα από αυτά αντιπροσωπεύεται από μια μήτρα άνθρακα με έναν καταλύτη που εναποτίθεται πάνω της. διασπάται στον καταλύτη ανόδου, δίνοντας ηλεκτρόνια. Τα κατιόντα οδηγούνται στην κάθοδο μέσω της μεμβράνης, αλλά τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο εξωτερικό κύκλωμα επειδή η μεμβράνη δεν είναι σχεδιασμένη να μεταφέρει ηλεκτρόνια.

Ένα μόριο οξυγόνου στον καταλύτη καθόδου συνδυάζεται με ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρικό κύκλωμα και ένα εισερχόμενο πρωτόνιο, σχηματίζοντας τελικά νερό, το οποίο είναι το μόνο προϊόν της αντίδρασης.

Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μονάδων ηλεκτροδίων μεμβράνης, οι οποίες λειτουργούν ως τα κύρια στοιχεία παραγωγής του ενεργειακού συστήματος.

Πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου υδρογόνου

Μεταξύ αυτών είναι:

• Αυξημένη ειδική θερμοχωρητικότητα.
• Ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας.
• Χωρίς κραδασμούς, θόρυβο ή θερμότητα.
• Αξιοπιστία ψυχρής εκκίνησης.
• Χωρίς αυτοεκφόρτιση, που εξασφαλίζει μακροχρόνια αποθήκευση ενέργειας.
• Απεριόριστη αυτονομία χάρη στη δυνατότητα προσαρμογής της ενεργειακής έντασης αλλάζοντας τον αριθμό των κασετών καυσίμου.
• Παρέχοντας σχεδόν οποιαδήποτε ενεργειακή ένταση αλλάζοντας την ικανότητα αποθήκευσης υδρογόνου.
• Μεγάλη διάρκεια ζωής.
• Αθόρυβη και φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία.
• Υψηλό επίπεδο ενεργειακής έντασης.
• Ανοχή σε ξένες ακαθαρσίες στο υδρογόνο.

Περιοχή εφαρμογής

Λόγω της υψηλής απόδοσης τους, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς:

• Φορητοί φορτιστές.
• Συστήματα τροφοδοσίας UAV.
• Αδιάλειπτα τροφοδοτικά.
• Άλλες συσκευές και εξοπλισμός.

Προοπτικές για ενέργεια υδρογόνου

Η ευρεία χρήση κυψελών καυσίμου υπεροξειδίου του υδρογόνου θα είναι δυνατή μόνο μετά τη δημιουργία μιας αποτελεσματικής μεθόδου για την παραγωγή υδρογόνου. Απαιτούνται νέες ιδέες για την ενεργή χρήση της τεχνολογίας, με μεγάλες ελπίδες να εναποτίθενται στην ιδέα των κυψελών βιοκαυσίμου και της νανοτεχνολογίας. Ορισμένες εταιρείες κυκλοφόρησαν σχετικά πρόσφατα αποτελεσματικούς καταλύτες με βάση διάφορα μέταλλα, ταυτόχρονα εμφανίστηκαν πληροφορίες σχετικά με τη δημιουργία κυψελών καυσίμου χωρίς μεμβράνες, γεγονός που κατέστησε δυνατή τη σημαντική μείωση του κόστους παραγωγής και την απλοποίηση του σχεδιασμού τέτοιων συσκευών. Τα πλεονεκτήματα και τα χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίμου υδρογόνου δεν υπερβαίνουν το κύριο μειονέκτημά τους - υψηλό κόστος, ειδικά σε σύγκριση με συσκευές υδρογονανθράκων. Η δημιουργία ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής υδρογόνου απαιτεί τουλάχιστον 500 χιλιάδες δολάρια.

Πώς να συναρμολογήσετε μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου;

Μπορείτε να δημιουργήσετε μόνοι σας μια κυψέλη καυσίμου χαμηλής κατανάλωσης σε ένα κανονικό εργαστήριο στο σπίτι ή στο σχολείο. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι μια παλιά μάσκα αερίων, κομμάτια από πλεξιγκλάς, ένα υδατικό διάλυμα αιθυλικής αλκοόλης και αλκαλίου.

Το σώμα μιας κυψέλης καυσίμου υδρογόνου δημιουργείται με τα χέρια σας από plexiglass πάχους τουλάχιστον πέντε χιλιοστών. Τα χωρίσματα μεταξύ των διαμερισμάτων μπορεί να είναι πιο λεπτά - περίπου 3 χιλιοστά. Το πλεξιγκλάς κολλάται μεταξύ τους με ειδική κόλλα από χλωροφόρμιο ή διχλωροαιθάνιο και ροκανίδια από πλεξιγκλάς. Όλες οι εργασίες εκτελούνται μόνο με την κουκούλα σε λειτουργία.

Στο εξωτερικό τοίχωμα του περιβλήματος ανοίγεται μια οπή διαμέτρου 5-6 εκατοστών, στην οποία εισάγονται ένα ελαστικό πώμα και ένας γυάλινος σωλήνας αποστράγγισης. Ο ενεργός άνθρακας από τη μάσκα αερίου χύνεται στο δεύτερο και τέταρτο διαμέρισμα του περιβλήματος της κυψέλης καυσίμου - θα χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο.

Το καύσιμο θα κυκλοφορεί στον πρώτο θάλαμο, ενώ ο πέμπτος γεμίζει με αέρα, από τον οποίο θα παρέχεται οξυγόνο. Ο ηλεκτρολύτης, που χύνεται μεταξύ των ηλεκτροδίων, εμποτίζεται με διάλυμα παραφίνης και βενζίνης για να αποτραπεί η είσοδος του στον θάλαμο αέρα. Χάλκινες πλάκες με σύρματα συγκολλημένα σε αυτά τοποθετούνται στο στρώμα του άνθρακα, μέσω του οποίου θα αποστραγγιστεί το ρεύμα.

Η συναρμολογημένη κυψέλη καυσίμου υδρογόνου φορτίζεται με βότκα αραιωμένη με νερό σε αναλογία 1:1. Καυστικό κάλιο προστίθεται προσεκτικά στο μείγμα που προκύπτει: 70 γραμμάρια καλίου διαλύονται σε 200 γραμμάρια νερό.

Πριν από τη δοκιμή μιας κυψέλης καυσίμου υδρογόνου, το καύσιμο χύνεται στον πρώτο θάλαμο και ο ηλεκτρολύτης στον τρίτο. Η ένδειξη ενός βολτόμετρου που συνδέεται με τα ηλεκτρόδια πρέπει να κυμαίνεται από 0,7 έως 0,9 βολτ. Για να εξασφαλιστεί η συνεχής λειτουργία του στοιχείου, το αναλωμένο καύσιμο πρέπει να αφαιρεθεί και το νέο καύσιμο πρέπει να χυθεί μέσω ενός ελαστικού σωλήνα. Πιέζοντας το σωλήνα, ρυθμίζεται ο ρυθμός παροχής καυσίμου. Τέτοιες κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, συναρμολογημένες στο σπίτι, έχουν μικρή ισχύ.

Από την άποψη της «πράσινης» ενέργειας, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου έχουν εξαιρετικά υψηλή απόδοση 60%. Για σύγκριση: η απόδοση των καλύτερων κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι 35-40%. Για τους σταθμούς ηλιακής ενέργειας, ο συντελεστής είναι μόνο 15-20%, αλλά εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις καιρικές συνθήκες. Η απόδοση των καλύτερων αιολικών πάρκων με φτερωτή φτάνει το 40%, που είναι συγκρίσιμο με τις ατμογεννήτριες, αλλά οι ανεμογεννήτριες απαιτούν επίσης κατάλληλες καιρικές συνθήκες και δαπανηρή συντήρηση.

Όπως μπορούμε να δούμε, όσον αφορά αυτή την παράμετρο, η ενέργεια του υδρογόνου είναι η πιο ελκυστική πηγή ενέργειας, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένα προβλήματα που εμποδίζουν τη μαζική χρήση της. Το πιο σημαντικό από αυτά είναι η διαδικασία παραγωγής υδρογόνου.

Προβλήματα εξόρυξης

Η ενέργεια του υδρογόνου είναι φιλική προς το περιβάλλον, αλλά όχι αυτόνομη. Για να λειτουργήσει, μια κυψέλη καυσίμου χρειάζεται υδρογόνο, το οποίο δεν βρίσκεται στη Γη στην καθαρή του μορφή. Πρέπει να παραχθεί υδρογόνο, αλλά όλες οι υπάρχουσες μέθοδοι είναι είτε πολύ ακριβές είτε αναποτελεσματικές.

Η πιο αποτελεσματική μέθοδος ως προς τον όγκο του παραγόμενου υδρογόνου ανά μονάδα ενέργειας που δαπανάται θεωρείται η μέθοδος αναμόρφωσης φυσικού αερίου με ατμό. Το μεθάνιο συνδυάζεται με υδρατμούς σε πίεση 2 MPa (περίπου 19 ατμόσφαιρες, δηλ. πίεση σε βάθος περίπου 190 m) και θερμοκρασία περίπου 800 βαθμών, με αποτέλεσμα ένα μετατρεπόμενο αέριο με περιεκτικότητα σε υδρογόνο 55-75%. Η αναμόρφωση με ατμό απαιτεί τεράστιες εγκαταστάσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο στην παραγωγή.

Ένας σωληνωτός φούρνος για αναμόρφωση μεθανίου ατμού δεν είναι ο πιο εργονομικός τρόπος παραγωγής υδρογόνου. Πηγή: CTK-Euro

Μια πιο βολική και απλούστερη μέθοδος είναι η ηλεκτρόλυση νερού. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το επεξεργασμένο νερό, συμβαίνει μια σειρά ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, με αποτέλεσμα το σχηματισμό υδρογόνου. Ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η υψηλή κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για τη διεξαγωγή της αντίδρασης. Δηλαδή, προκύπτει μια κάπως περίεργη κατάσταση: για να αποκτήσετε ενέργεια υδρογόνου χρειάζεστε... ενέργεια. Για να αποφευχθεί το περιττό κόστος κατά την ηλεκτρόλυση και να εξοικονομηθούν πολύτιμοι πόροι, ορισμένες εταιρείες προσπαθούν να αναπτύξουν συστήματα πλήρους κύκλου «ηλεκτρισμός - υδρογόνο - ηλεκτρική ενέργεια», στα οποία η παραγωγή ενέργειας καθίσταται δυνατή χωρίς εξωτερική φόρτιση. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι η ανάπτυξη του Toshiba H2One.

Κινητός σταθμός παραγωγής ενέργειας Toshiba H2One

Έχουμε αναπτύξει τον κινητό μίνι σταθμό παραγωγής ενέργειας H2One, ο οποίος μετατρέπει το νερό σε υδρογόνο και το υδρογόνο σε ενέργεια. Για τη διατήρηση της ηλεκτρόλυσης, χρησιμοποιεί ηλιακούς συλλέκτες και η περίσσεια ενέργειας αποθηκεύεται στις μπαταρίες και διασφαλίζει ότι το σύστημα λειτουργεί απουσία ηλιακού φωτός. Το υδρογόνο που προκύπτει είτε παρέχεται απευθείας στις κυψέλες καυσίμου είτε αποστέλλεται για αποθήκευση σε ενσωματωμένη δεξαμενή. Σε μια ώρα, ο ηλεκτρολύτης H2One παράγει έως και 2 m 3 υδρογόνου και στην έξοδο παρέχει ισχύ έως και 55 kW. Για την παραγωγή 1 m 3 υδρογόνου, ο σταθμός απαιτεί έως και 2,5 m 3 νερού.

Ενώ ο σταθμός H2One δεν είναι ικανός να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε μια μεγάλη επιχείρηση ή μια ολόκληρη πόλη, η ενέργειά του θα είναι αρκετά επαρκής για τη λειτουργία μικρών περιοχών ή οργανισμών. Χάρη στη φορητότητά του, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως προσωρινή λύση σε φυσικές καταστροφές ή έκτακτες διακοπές ρεύματος. Επιπλέον, σε αντίθεση με μια γεννήτρια ντίζελ, η οποία απαιτεί καύσιμο για να λειτουργεί σωστά, μια μονάδα παραγωγής υδρογόνου απαιτεί μόνο νερό.

Επί του παρόντος, το Toshiba H2One χρησιμοποιείται σε λίγες μόνο πόλεις της Ιαπωνίας - για παράδειγμα, παρέχει ηλεκτρική ενέργεια και ζεστό νερό στο σιδηροδρομικό σταθμό στην πόλη Kawasaki.

Εγκατάσταση του συστήματος H2One στην Kawasaki

Μέλλον υδρογόνου

Σήμερα, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου παρέχουν ενέργεια για φορητές τράπεζες ισχύος, αστικά λεωφορεία με αυτοκίνητα και σιδηροδρομικές μεταφορές. (Περισσότερα για τη χρήση του υδρογόνου στην αυτοκινητοβιομηχανία θα μιλήσουμε στην επόμενη ανάρτησή μας).Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου αποδείχθηκαν απροσδόκητα μια εξαιρετική λύση για τα τετρακόπτερα - με παρόμοια μάζα με την μπαταρία, η παροχή υδρογόνου παρέχει έως και πέντε φορές μεγαλύτερο χρόνο πτήσης. Ωστόσο, ο παγετός δεν επηρεάζει την απόδοση με κανέναν τρόπο. Πειραματικά drones κυψελών καυσίμου που παράγονται από τη ρωσική εταιρεία AT Energy χρησιμοποιήθηκαν για γυρίσματα στους Ολυμπιακούς Αγώνες του Σότσι.

Έχει γίνει γνωστό ότι στους επερχόμενους Ολυμπιακούς Αγώνες στο Τόκιο, το υδρογόνο θα χρησιμοποιηθεί στα αυτοκίνητα, στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας και θα γίνει επίσης η κύρια πηγή ενέργειας για το Ολυμπιακό χωριό. Για το σκοπό αυτό, κατόπιν παραγγελίας της Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Ένας από τους μεγαλύτερους σταθμούς παραγωγής υδρογόνου στον κόσμο κατασκευάζεται στην ιαπωνική πόλη Namie. Ο σταθμός θα καταναλώνει έως και 10 MW ενέργειας που λαμβάνεται από «πράσινες» πηγές, παράγοντας έως και 900 τόνους υδρογόνου ετησίως μέσω ηλεκτρόλυσης.

Η ενέργεια του υδρογόνου είναι το «απόθεμά μας για το μέλλον», όταν τα ορυκτά καύσιμα θα πρέπει να εγκαταλειφθούν εντελώς και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν θα είναι σε θέση να καλύψουν τις ανάγκες της ανθρωπότητας. Σύμφωνα με την πρόβλεψη του Markets&Markets, ο όγκος της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου, ο οποίος σήμερα ανέρχεται σε 115 δισεκατομμύρια δολάρια, θα αυξηθεί στα 154 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2022. Αλλά η μαζική εφαρμογή της τεχνολογίας είναι απίθανο να συμβεί στο εγγύς μέλλον Η παραγωγή και η λειτουργία ειδικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής πρέπει ακόμη να επιλυθούν και να μειωθεί το κόστος τους. Όταν ξεπεραστούν τα τεχνολογικά εμπόδια, η ενέργεια του υδρογόνου θα φτάσει σε ένα νέο επίπεδο και μπορεί να είναι τόσο διαδεδομένη όσο η παραδοσιακή ή η υδροηλεκτρική ενέργεια σήμερα.

Ήθελα από καιρό να σας πω για μια άλλη κατεύθυνση της εταιρείας Alfaintek. Πρόκειται για την ανάπτυξη, πώληση και εξυπηρέτηση κυψελών καυσίμου υδρογόνου. Θα ήθελα να εξηγήσω αμέσως την κατάσταση με αυτές τις κυψέλες καυσίμου στη Ρωσία.

Λόγω του αρκετά υψηλού κόστους και της παντελούς έλλειψης σταθμών υδρογόνου για τη φόρτιση αυτών των κυψελών καυσίμου, δεν αναμένεται η πώλησή τους στη Ρωσία. Ωστόσο, στην Ευρώπη, ειδικά στη Φινλανδία, αυτές οι κυψέλες καυσίμου κερδίζουν δημοτικότητα κάθε χρόνο. Ποιο είναι το μυστικό; Ας ρίξουμε μια ματιά. Αυτή η συσκευή είναι φιλική προς το περιβάλλον, εύκολη στη χρήση και αποτελεσματική. Έρχεται στη βοήθεια ενός ατόμου όπου χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια. Μπορείτε να το πάρετε μαζί σας στο δρόμο, σε μια πεζοπορία ή να το χρησιμοποιήσετε στο εξοχικό ή το διαμέρισμά σας ως αυτόνομη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η ηλεκτρική ενέργεια σε μια κυψέλη καυσίμου παράγεται από μια χημική αντίδραση υδρογόνου από τη δεξαμενή με υδρίδιο μετάλλου και οξυγόνο από τον αέρα. Ο κύλινδρος δεν είναι εκρηκτικός και μπορεί να αποθηκευτεί στη ντουλάπα σας για χρόνια, περιμένοντας στα φτερά. Αυτό είναι ίσως ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας αποθήκευσης υδρογόνου. Είναι η αποθήκευση υδρογόνου που είναι ένα από τα κύρια προβλήματα στην ανάπτυξη καυσίμου υδρογόνου. Μοναδικές νέες ελαφριές κυψέλες καυσίμου που μετατρέπουν το υδρογόνο σε συμβατική ηλεκτρική ενέργεια με ασφάλεια, αθόρυβα και χωρίς εκπομπές ρύπων.

Αυτός ο τύπος ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μέρη όπου δεν υπάρχει κεντρικό ηλεκτρικό ρεύμα ή ως πηγή ενέργειας έκτακτης ανάγκης.

Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες, οι οποίες πρέπει να φορτιστούν και να αποσυνδεθούν από τον ηλεκτρικό καταναλωτή κατά τη διαδικασία φόρτισης, μια κυψέλη καυσίμου λειτουργεί ως «έξυπνη» συσκευή. Αυτή η τεχνολογία παρέχει αδιάλειπτη ισχύ καθ' όλη τη διάρκεια της χρήσης χάρη στη μοναδική λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας κατά την αλλαγή του δοχείου καυσίμου, η οποία επιτρέπει στον χρήστη να μην κλείνει ποτέ τον καταναλωτή. Σε μια κλειστή θήκη, οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να αποθηκευτούν για αρκετά χρόνια χωρίς να χάσουν τον όγκο του υδρογόνου και να μειώσουν την ισχύ τους.

Η κυψέλη καυσίμου έχει σχεδιαστεί για επιστήμονες και ερευνητές, αρχές επιβολής του νόμου, ανταποκριτές έκτακτης ανάγκης, ιδιοκτήτες σκαφών και μαρινών και οποιονδήποτε άλλο χρειάζεται μια αξιόπιστη πηγή ενέργειας σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.
Μπορείτε να πάρετε 12 βολτ ή 220 βολτ και τότε θα έχετε αρκετή ενέργεια για να λειτουργήσετε την τηλεόραση, το στερεοφωνικό, το ψυγείο, την καφετιέρα, τον βραστήρα, την ηλεκτρική σκούπα, το τρυπάνι, τη μικροσόμπα και άλλες ηλεκτρικές συσκευές.

Οι κυψέλες καυσίμου υδροκυψελών μπορούν να πωληθούν ως μία μονάδα ή σε μπαταρίες των 2-4 κυψελών. Δύο ή τέσσερα στοιχεία μπορούν να συνδυαστούν είτε για να αυξήσουν την ισχύ είτε να αυξήσουν την ένταση του ρεύματος.

ΧΡΟΝΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΟΙΚΙΑΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΜΕ Κυψέλες ΚΑΥΣΙΜΟΥ

	Ηλεκτρικές συσκευές	Χρόνος λειτουργίας ανά ημέρα (ελάχ.)	Απαιτείται ισχύς ανά ημέρα (Wh)	Χρόνος λειτουργίας με κυψέλες καυσίμου
	Ηλεκτρικός βραστήρας
	Καφετιέρα
	Microslab
	τηλεόραση
	1 λαμπτήρας 60W
	1 λαμπτήρας 75W
	3 λαμπτήρες 60W
	Φορητός υπολογιστής
	Ψυγείο
	Λάμπα εξοικονόμησης ενέργειας

* - συνεχής λειτουργία

Οι κυψέλες καυσίμου φορτίζονται πλήρως σε ειδικούς σταθμούς υδρογόνου. Τι γίνεται όμως αν ταξιδεύετε μακριά από αυτά και δεν υπάρχει τρόπος να επαναφορτιστείτε; Ειδικά για τέτοιες περιπτώσεις, οι ειδικοί της Alfaintek έχουν αναπτύξει κυλίνδρους για την αποθήκευση υδρογόνου, με τους οποίους οι κυψέλες καυσίμου θα λειτουργούν πολύ περισσότερο.

Παράγονται δύο τύποι κυλίνδρων: NS-MN200 και NS-MN1200.
Το συναρμολογημένο NS-MH200 είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από ένα κουτί Coca-Cola, χωράει 230 λίτρα υδρογόνου, ισοδύναμα με 40Ah (12V) και ζυγίζει μόνο 2,5 κιλά.
Ο κύλινδρος μεταλλικού υδριδίου NS-MN1200 χωρά 1200 λίτρα υδρογόνου, που αντιστοιχεί σε 220Ah (12V). Το βάρος του κυλίνδρου είναι 11 κιλά.

Η τεχνική μεταλλικού υδριδίου είναι ένας ασφαλής και εύκολος τρόπος αποθήκευσης, μεταφοράς και χρήσης υδρογόνου. Όταν αποθηκεύεται ως υδρίδιο μετάλλου, το υδρογόνο έχει τη μορφή χημικής ένωσης και όχι αέριας μορφής. Αυτή η μέθοδος καθιστά δυνατή την απόκτηση επαρκώς υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Το πλεονέκτημα της χρήσης μεταλλικού υδριδίου είναι ότι η πίεση μέσα στον κύλινδρο είναι μόνο 2-4 bar.

Ο κύλινδρος δεν είναι εκρηκτικός και μπορεί να αποθηκευτεί για χρόνια χωρίς να μειωθεί ο όγκος της ουσίας. Δεδομένου ότι το υδρογόνο αποθηκεύεται ως υδρίδιο μετάλλου, η καθαρότητα του υδρογόνου που λαμβάνεται από τον κύλινδρο είναι πολύ υψηλή - 99,999%. Οι κύλινδροι αποθήκευσης υδρογόνου μετάλλου υδριδίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο με κυψέλες καυσίμου HC 100.200.400, αλλά και σε άλλες περιπτώσεις όπου απαιτείται καθαρό υδρογόνο. Οι κύλινδροι μπορούν εύκολα να συνδεθούν σε κυψέλη καυσίμου ή άλλη συσκευή χρησιμοποιώντας σύνδεσμο ταχείας σύνδεσης και εύκαμπτο σωλήνα.

Είναι κρίμα που αυτές οι κυψέλες καυσίμου δεν πωλούνται στη Ρωσία. Αλλά στον πληθυσμό μας υπάρχουν τόσοι πολλοί άνθρωποι που τα χρειάζονται. Λοιπόν, θα περιμένουμε και θα δούμε, και θα δείτε, θα έχουμε μερικά. Στο μεταξύ, θα αγοράσουμε λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας που επιβάλλει το κράτος.

ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ. Φαίνεται ότι το θέμα έχει τελικά ξεθωριάσει. Τόσα χρόνια μετά τη συγγραφή αυτού του άρθρου, δεν έχει γίνει τίποτα. Ίσως δεν ψάχνω παντού, φυσικά, αλλά αυτό που μου τραβάει το μάτι δεν είναι καθόλου ευχάριστο. Η τεχνολογία και η ιδέα είναι καλές, αλλά δεν έχουν βρει κάποια εξέλιξη ακόμα.

Η κυψέλη καυσίμου είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή μετατροπής ενέργειας που μετατρέπει το υδρογόνο και το οξυγόνο σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας χημικής αντίδρασης. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, σχηματίζεται νερό και απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Μια κυψέλη καυσίμου μοιάζει πολύ με μια μπαταρία που μπορεί να φορτιστεί και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει την αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια.
Ο William R. Grove θεωρείται ο εφευρέτης της κυψέλης καυσίμου, ο οποίος την εφηύρε το 1839. Σε αυτήν την κυψέλη καυσίμου, ένα διάλυμα θειικού οξέος χρησιμοποιήθηκε ως ηλεκτρολύτης και το υδρογόνο ως καύσιμο, το οποίο συνδυάστηκε με οξυγόνο σε ένας οξειδωτικός παράγοντας. Πρέπει να σημειωθεί ότι μέχρι πρόσφατα, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνταν μόνο σε εργαστήρια και σε διαστημόπλοια.
Στο μέλλον, οι κυψέλες καυσίμου θα μπορούν να ανταγωνίζονται πολλά άλλα συστήματα μετατροπής ενέργειας (συμπεριλαμβανομένων αεριοστροβίλων σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας), κινητήρες εσωτερικής καύσης σε αυτοκίνητα και ηλεκτρικές μπαταρίες σε φορητές συσκευές. Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης καίνε καύσιμο και χρησιμοποιούν την πίεση που δημιουργείται από τη διαστολή των αερίων καύσης για να εκτελέσουν μηχανικές εργασίες. Οι μπαταρίες αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια και στη συνέχεια τη μετατρέπουν σε χημική ενέργεια, η οποία μπορεί να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια εάν είναι απαραίτητο. Οι κυψέλες καυσίμου είναι δυνητικά πολύ αποδοτικές. Πίσω στο 1824, ο Γάλλος επιστήμονας Carnot απέδειξε ότι οι κύκλοι συμπίεσης-διαστολής μιας μηχανής εσωτερικής καύσης δεν μπορούν να παρέχουν απόδοση μετατροπής της θερμικής ενέργειας (που είναι η χημική ενέργεια της καύσης καυσίμου) σε μηχανική ενέργεια πάνω από 50%. Μια κυψέλη καυσίμου δεν έχει κινούμενα μέρη (τουλάχιστον όχι μέσα στην ίδια την κυψέλη) και επομένως δεν υπακούουν στο νόμο του Carnot. Φυσικά, θα έχουν μεγαλύτερη από 50% απόδοση και είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά σε χαμηλά φορτία. Έτσι, τα οχήματα κυψελών καυσίμου είναι έτοιμα να γίνουν (και έχουν ήδη αποδειχθεί) πιο αποδοτικά καυσίμου από τα συμβατικά οχήματα σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης.
Η κυψέλη καυσίμου παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα σταθερής τάσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση του ηλεκτροκινητήρα, του φωτισμού και άλλων ηλεκτρικών συστημάτων στο όχημα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου, που διαφέρουν στις χημικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται. Οι κυψέλες καυσίμου ταξινομούνται συνήθως ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν. Ορισμένοι τύποι κυψελών καυσίμου είναι πολλά υποσχόμενοι για την πρόωση σταθμών παραγωγής ενέργειας, ενώ άλλοι μπορεί να είναι χρήσιμοι για μικρές φορητές συσκευές ή για τροφοδοσία αυτοκινήτων.
Η αλκαλική κυψέλη καυσίμου είναι μια από τις πρώτες κυψέλες που αναπτύχθηκαν. Έχουν χρησιμοποιηθεί στο διαστημικό πρόγραμμα των ΗΠΑ από τη δεκαετία του 1960. Τέτοιες κυψέλες καυσίμου είναι πολύ επιρρεπείς σε μόλυνση και επομένως απαιτούν πολύ καθαρό υδρογόνο και οξυγόνο. Είναι επίσης πολύ ακριβά, επομένως αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου πιθανότατα δεν θα έχει ευρεία χρήση στα αυτοκίνητα.
Οι κυψέλες καυσίμου με βάση το φωσφορικό οξύ μπορούν να βρουν εφαρμογή σε σταθερές εγκαταστάσεις χαμηλής ισχύος. Λειτουργούν σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες και επομένως χρειάζονται πολύ χρόνο για να ζεσταθούν, γεγονός που τα καθιστά επίσης αναποτελεσματικά για χρήση σε αυτοκίνητα.
Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου είναι καλύτερα κατάλληλες για μεγάλες σταθερές γεννήτριες ενέργειας που θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν με ρεύμα τα εργοστάσια ή τις κοινότητες. Αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου λειτουργεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 1000 °C). Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας δημιουργεί ορισμένα προβλήματα, αλλά από την άλλη υπάρχει ένα πλεονέκτημα - ο ατμός που παράγεται από την κυψέλη καυσίμου μπορεί να σταλεί σε τουρμπίνες για να παράγει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια. Συνολικά, αυτό βελτιώνει τη συνολική απόδοση του συστήματος.
Ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα συστήματα είναι η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Επί του παρόντος, αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου είναι ο πιο πολλά υποσχόμενος επειδή μπορεί να τροφοδοτήσει αυτοκίνητα, λεωφορεία και άλλα οχήματα.

Χημικές διεργασίες σε κυψέλη καυσίμου

Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν μια ηλεκτροχημική διαδικασία για να συνδυάσουν το υδρογόνο με το οξυγόνο που λαμβάνεται από τον αέρα. Όπως οι μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια (στερεά ηλεκτρικούς αγωγούς) σε έναν ηλεκτρολύτη (ένα ηλεκτρικά αγώγιμο μέσο). Όταν τα μόρια του υδρογόνου έρχονται σε επαφή με το αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδος), το τελευταίο διαχωρίζεται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια περνούν μέσω μιας μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (POEM) στο θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) της κυψέλης καυσίμου, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Ένας χημικός συνδυασμός μορίων υδρογόνου και οξυγόνου εμφανίζεται για να σχηματίσει νερό ως υποπροϊόν αυτής της αντίδρασης. Ο μόνος τύπος εκπομπών από μια κυψέλη καυσίμου είναι οι υδρατμοί.
Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τις κυψέλες καυσίμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο ηλεκτρικό σύστημα μετάδοσης κίνησης ενός οχήματος (που αποτελείται από έναν μετατροπέα ηλεκτρικής ισχύος και έναν επαγωγικό κινητήρα AC) για την παροχή μηχανικής ενέργειας για την προώθηση του οχήματος. Η δουλειά ενός μετατροπέα ηλεκτρικής ισχύος είναι να μετατρέπει το συνεχές ρεύμα που παράγεται από τις κυψέλες καυσίμου σε εναλλασσόμενο ρεύμα που λειτουργεί τον κινητήρα έλξης του οχήματος.

Διάγραμμα κυψέλης καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων:
1 - άνοδος;
2 - μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (ΡΕΜ).
3 - καταλύτης (κόκκινο);
4 - κάθοδος

Η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) χρησιμοποιεί μία από τις απλούστερες αντιδράσεις οποιασδήποτε κυψέλης καυσίμου.

Κυψέλη καυσίμου μιας κυψέλης

Ας δούμε πώς λειτουργεί μια κυψέλη καυσίμου. Η άνοδος, ο αρνητικός ακροδέκτης της κυψέλης καυσίμου, μεταφέρει ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από μόρια υδρογόνου έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Για να γίνει αυτό, τα κανάλια είναι χαραγμένα σε αυτό, κατανέμοντας το υδρογόνο ομοιόμορφα σε ολόκληρη την επιφάνεια του καταλύτη. Η κάθοδος (θετικός πόλος της κυψέλης καυσίμου) έχει χαραγμένα κανάλια που διανέμουν το οξυγόνο σε όλη την επιφάνεια του καταλύτη. Οδηγεί επίσης τα ηλεκτρόνια πίσω από τον εξωτερικό βρόχο (κύκλωμα) στον καταλύτη, όπου μπορούν να συνδυαστούν με ιόντα υδρογόνου και οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό. Ο ηλεκτρολύτης είναι μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. Πρόκειται για ένα ειδικό υλικό που είναι παρόμοιο με το συνηθισμένο πλαστικό, αλλά έχει την ικανότητα να επιτρέπει στα θετικά φορτισμένα ιόντα να περνούν και να εμποδίζουν τη διέλευση των ηλεκτρονίων.
Ο καταλύτης είναι ένα ειδικό υλικό που διευκολύνει την αντίδραση μεταξύ οξυγόνου και υδρογόνου. Ο καταλύτης συνήθως κατασκευάζεται από σκόνη πλατίνας που εφαρμόζεται σε πολύ λεπτό στρώμα σε χαρτί άνθρακα ή ύφασμα. Ο καταλύτης πρέπει να είναι τραχύς και πορώδης ώστε η επιφάνειά του να μπορεί να έρθει σε μέγιστη επαφή με το υδρογόνο και το οξυγόνο. Η επικαλυμμένη με πλατίνα πλευρά του καταλύτη βρίσκεται μπροστά από τη μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM).
Το αέριο υδρογόνο (H2) παρέχεται στην κυψέλη καυσίμου υπό πίεση από την άνοδο. Όταν ένα μόριο Η2 έρχεται σε επαφή με την πλατίνα στον καταλύτη, χωρίζεται σε δύο μέρη, δύο ιόντα (H+) και δύο ηλεκτρόνια (e–). Τα ηλεκτρόνια οδηγούνται μέσω της ανόδου, όπου διέρχονται από έναν εξωτερικό βρόχο (κύκλωμα) κάνοντας χρήσιμη εργασία (όπως η οδήγηση ενός ηλεκτροκινητήρα) και επιστρέφουν στην πλευρά της καθόδου της κυψέλης καυσίμου.
Εν τω μεταξύ, στην πλευρά της καθόδου της κυψέλης καυσίμου, το αέριο οξυγόνο (O 2 ) ωθείται μέσω του καταλύτη, όπου σχηματίζει δύο άτομα οξυγόνου. Κάθε ένα από αυτά τα άτομα έχει ένα ισχυρό αρνητικό φορτίο, το οποίο προσελκύει δύο ιόντα Η+ κατά μήκος της μεμβράνης, όπου συνδυάζονται με ένα άτομο οξυγόνου και δύο ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα για να σχηματίσουν ένα μόριο νερού (H 2 O).
Αυτή η αντίδραση σε μία κυψέλη καυσίμου παράγει περίπου 0,7 W ισχύος. Για να αυξηθεί η ισχύς στο απαιτούμενο επίπεδο, πολλές μεμονωμένες κυψέλες καυσίμου πρέπει να συνδυαστούν για να σχηματίσουν μια στοίβα κυψελών καυσίμου.
Οι κυψέλες καυσίμου POM λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 80°C), που σημαίνει ότι μπορούν να ανέβουν γρήγορα στη θερμοκρασία λειτουργίας και δεν απαιτούν ακριβά συστήματα ψύξης. Οι συνεχείς βελτιώσεις στις τεχνολογίες και τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις κυψέλες έχουν φέρει την ισχύ τους πιο κοντά στο σημείο όπου μια μπαταρία τέτοιων κυψελών καυσίμου, που καταλαμβάνει ένα μικρό μέρος του πορτμπαγκάζ ενός αυτοκινήτου, μπορεί να παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για την οδήγηση του αυτοκινήτου.
Τα τελευταία χρόνια, οι περισσότεροι από τους κορυφαίους κατασκευαστές αυτοκινήτων στον κόσμο έχουν επενδύσει πολλά στην ανάπτυξη σχεδίων οχημάτων που χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου. Πολλοί έχουν ήδη επιδείξει οχήματα κυψελών καυσίμου με ικανοποιητικά χαρακτηριστικά ισχύος και απόδοσης, αν και ήταν αρκετά ακριβά.
Η βελτίωση των σχεδίων τέτοιων αυτοκινήτων είναι πολύ εντατική.

Το όχημα κυψελών καυσίμου χρησιμοποιεί μια μονάδα παραγωγής ενέργειας που βρίσκεται κάτω από το δάπεδο του οχήματος

Το NECAR V βασίζεται σε ένα αυτοκίνητο Mercedes-Benz A-class, με ολόκληρο το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, μαζί με τις κυψέλες καυσίμου, να βρίσκονται κάτω από το δάπεδο του αυτοκινήτου. Αυτή η σχεδιαστική λύση καθιστά δυνατή τη φιλοξενία τεσσάρων επιβατών και αποσκευών στο αυτοκίνητο. Εδώ, όχι υδρογόνο, αλλά μεθανόλη χρησιμοποιείται ως καύσιμο για το αυτοκίνητο. Η μεθανόλη, χρησιμοποιώντας έναν αναμορφωτή (μια συσκευή που μετατρέπει τη μεθανόλη σε υδρογόνο), μετατρέπεται σε υδρογόνο που είναι απαραίτητο για την τροφοδοσία της κυψέλης καυσίμου. Η χρήση ενός αναμορφωτή σε ένα αυτοκίνητο καθιστά δυνατή τη χρήση σχεδόν οποιωνδήποτε υδρογονανθράκων ως καυσίμου, γεγονός που σας επιτρέπει να ανεφοδιάζετε ένα αυτοκίνητο κυψελών καυσίμου χρησιμοποιώντας το υπάρχον δίκτυο πρατηρίων καυσίμων. Θεωρητικά, οι κυψέλες καυσίμου δεν παράγουν τίποτα άλλο εκτός από ηλεκτρική ενέργεια και νερό. Η μετατροπή καυσίμου (βενζίνη ή μεθανόλη) σε υδρογόνο που απαιτείται για μια κυψέλη καυσίμου μειώνει κάπως την περιβαλλοντική ελκυστικότητα ενός τέτοιου αυτοκινήτου.
Η Honda, η οποία ασχολείται με τις κυψέλες καυσίμου από το 1989, παρήγαγε μια μικρή παρτίδα οχημάτων Honda FCX-V4 το 2003 με κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων από την Ballard. Αυτές οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ισχύ 78 kW και ηλεκτρικοί κινητήρες έλξης με ισχύ 60 kW και ροπή 272 Nm χρησιμοποιούνται για την κίνηση των κινητήριων τροχών Ένα αυτοκίνητο κυψελών καυσίμου, σε σύγκριση με ένα παραδοσιακό αυτοκίνητο, έχει βάρος περίπου 40% λιγότερο, γεγονός που του εξασφαλίζει εξαιρετική δυναμική και η παροχή συμπιεσμένου υδρογόνου του επιτρέπει να τρέξει έως και 355 km.

Το Honda FCX χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από κυψέλες καυσίμου για την οδήγηση.
Το Honda FCX είναι το πρώτο όχημα κυψελών καυσίμου στον κόσμο που έλαβε κυβερνητική πιστοποίηση στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το αυτοκίνητο είναι πιστοποιημένο σύμφωνα με τα πρότυπα ZEV - Zero Emission Vehicle. Η Honda δεν πρόκειται να πουλήσει ακόμη αυτά τα αυτοκίνητα, αλλά μισθώνει περίπου 30 αυτοκίνητα ανά μονάδα. Καλιφόρνια και Τόκιο, όπου υπάρχει ήδη υποδομή ανεφοδιασμού με υδρογόνο.

Το πρωτότυπο όχημα Hy Wire της General Motors διαθέτει σύστημα κίνησης κυψελών καυσίμου

Η General Motors διεξάγει εκτεταμένη έρευνα για την ανάπτυξη και τη δημιουργία οχημάτων κυψελών καυσίμου.

Σασί αυτοκινήτου Hy Wire

Το πρωτότυπο αυτοκίνητο GM Hy Wire εκδόθηκε 26 πατέντες. Η βάση του αυτοκινήτου είναι μια λειτουργική πλατφόρμα πάχους 150 mm. Μέσα στην πλατφόρμα βρίσκονται δεξαμενές υδρογόνου, ένα σύστημα μετάδοσης κίνησης κυψελών καυσίμου και συστήματα ελέγχου οχημάτων που χρησιμοποιούν τις πιο πρόσφατες τεχνολογίες drive-by-wire. Το πλαίσιο του οχήματος Hy Wire είναι μια λεπτή πλατφόρμα που περικλείει όλα τα κύρια δομικά στοιχεία του οχήματος: δεξαμενές υδρογόνου, κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες, ηλεκτρικούς κινητήρες και συστήματα ελέγχου. Αυτή η προσέγγιση στο σχεδιασμό καθιστά δυνατή την αλλαγή του αμαξώματος των αυτοκινήτων κατά τη λειτουργία Η εταιρεία δοκιμάζει επίσης πρωτότυπα αυτοκίνητα κυψελών καυσίμου και σχεδιάζει μια μονάδα παραγωγής κυψελών καυσίμου.

Σχεδιασμός «ασφαλούς» δεξαμενής υγροποιημένου υδρογόνου:
1 - συσκευή πλήρωσης.
2 - εξωτερική δεξαμενή.
3 - υποστηρίζει?
4 - αισθητήρας επιπέδου.
5 - εσωτερική δεξαμενή.
6 - γραμμή πλήρωσης.
7 - μόνωση και κενό.
8 - θερμαντήρας?
9 - κουτί τοποθέτησης

Η BMW δίνει μεγάλη προσοχή στο πρόβλημα της χρήσης υδρογόνου ως καυσίμου για αυτοκίνητα. Μαζί με τη Magna Steyer, γνωστή για το έργο της σχετικά με τη χρήση υγροποιημένου υδρογόνου στην εξερεύνηση του διαστήματος, η BMW έχει αναπτύξει μια δεξαμενή καυσίμου για υγροποιημένο υδρογόνο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αυτοκίνητα.

Οι δοκιμές έχουν επιβεβαιώσει την ασφάλεια χρήσης δεξαμενής καυσίμου υγρού υδρογόνου

Η εταιρεία πραγματοποίησε μια σειρά δοκιμών για την ασφάλεια της κατασκευής χρησιμοποιώντας τυπικές μεθόδους και επιβεβαίωσε την αξιοπιστία της.
Το 2002, στην έκθεση αυτοκινήτου στη Φρανκφούρτη επί του Μάιν (Γερμανία), παρουσιάστηκε το Mini Cooper Hydrogen, το οποίο χρησιμοποιεί υγροποιημένο υδρογόνο ως καύσιμο. Η δεξαμενή καυσίμου αυτού του αυτοκινήτου καταλαμβάνει τον ίδιο χώρο με μια κανονική δεξαμενή αερίου. Το υδρογόνο σε αυτό το αυτοκίνητο δεν χρησιμοποιείται για κυψέλες καυσίμου, αλλά ως καύσιμο για τον κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής στον κόσμο με κυψέλη καυσίμου αντί για μπαταρία

Το 2003, η BMW ανακοίνωσε την παραγωγή του πρώτου αυτοκινήτου παραγωγής με κυψέλη καυσίμου, της BMW 750 hL. Χρησιμοποιείται μπαταρία κυψελών καυσίμου αντί για παραδοσιακή μπαταρία. Αυτό το αυτοκίνητο έχει έναν 12κύλινδρο κινητήρα εσωτερικής καύσης που λειτουργεί με υδρογόνο και η κυψέλη καυσίμου χρησιμεύει ως εναλλακτική λύση σε μια συμβατική μπαταρία, επιτρέποντας στο κλιματιστικό και σε άλλους ηλεκτρικούς καταναλωτές να λειτουργούν όταν το αυτοκίνητο είναι σταθμευμένο για μεγάλες περιόδους χωρίς ο κινητήρας να λειτουργεί.

Η πλήρωση υδρογόνου πραγματοποιείται από ένα ρομπότ, ο οδηγός δεν εμπλέκεται σε αυτή τη διαδικασία

Η ίδια εταιρεία BMW έχει επίσης αναπτύξει ρομποτικούς διανομείς ανεφοδιασμού που παρέχουν γρήγορο και ασφαλή ανεφοδιασμό αυτοκινήτων με υγροποιημένο υδρογόνο.
Η εμφάνιση τα τελευταία χρόνια ενός μεγάλου αριθμού εξελίξεων με στόχο τη δημιουργία αυτοκινήτων με εναλλακτικά καύσιμα και εναλλακτικά συστήματα κίνησης υποδηλώνει ότι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, που κυριάρχησαν στα αυτοκίνητα τον περασμένο αιώνα, θα δώσουν τελικά τη θέση τους σε καθαρότερους, πιο αποδοτικούς και αθόρυβους σχεδιασμούς. Η ευρεία υιοθέτησή τους επί του παρόντος δεν περιορίζεται από τεχνικά, αλλά μάλλον από οικονομικά και κοινωνικά προβλήματα. Για την ευρεία χρήση τους, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια συγκεκριμένη υποδομή για την ανάπτυξη της παραγωγής εναλλακτικών καυσίμων, τη δημιουργία και διανομή νέων πρατηρίων καυσίμων και να ξεπεραστούν μια σειρά ψυχολογικών φραγμών. Η χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου οχημάτων θα απαιτήσει την αντιμετώπιση ζητημάτων αποθήκευσης, παράδοσης και διανομής, με τη λήψη σοβαρών μέτρων ασφαλείας.
Το υδρογόνο είναι θεωρητικά διαθέσιμο σε απεριόριστες ποσότητες, αλλά η παραγωγή του είναι πολύ ενεργοβόρα. Επιπλέον, για να μετατρέψετε τα αυτοκίνητα να λειτουργούν με καύσιμο υδρογόνου, είναι απαραίτητο να γίνουν δύο μεγάλες αλλαγές στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας: πρώτα, η αλλαγή της λειτουργίας του από βενζίνη σε μεθανόλη και στη συνέχεια, για κάποιο χρονικό διάστημα, σε υδρογόνο. Θα περάσει αρκετός καιρός μέχρι να επιλυθεί αυτό το ζήτημα.