Κυψέλη Καυσίμου

Η αρχή της κυψέλης καυσίμου ανακαλύφθηκε το 1839 απ’ τον Άγγλο φυσικό Sir William Grove, ο οποίος ανέπτυξε ένα πρωτότυπο, για ένα μικρό ηλεκτροχημικό εργοστάσιο που παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια από υδρογόνο.

Πώς λειτουργεί η κυψέλη καυσίμου

Κατά την διαδικασία τής ηλεκτρόλυσης το νερό διασπάται μέσω τής ηλεκτρικής ενέργειας, στα συστατικά του στοιχεία, το υδρογόνο και το οξυγόνο. Ακριβώς το αντίθετο συμβαίνει στην κυψέλη καυσίμου: Μια χημική αντίδραση λαμβάνει χώρα ανάμεσα στο υδρογόνο και το οξυγόνο, κατά την οποία παράγεται ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα μαζί με χημικά καθαρό νερό. Η κυψέλη καυσίμου έχει μια δομή που μοιάζει με σάντουιτς. Μεταξύ δυο ηλεκτροδίων από γραφίτη, διαπερατών στα αέρια, είναι το πολυμερές ΡΕΜ (μεμβράνη συναλλαγής πρωτονίων) και όπως και η οικοκυρική μεμβράνη, έχει μόνο μερικές χιλιάδες τού χιλιοστού πάχος.

Το υδρογόνο εισάγεται μόνο στην μια πλευρά τού ΡΕΜ, την άνοδο και η άλλη πλευρά, η κάθοδος, εκτίθεται στο οξυγόνο ή απλά στον αέρα. Η μεμβράνη διαχωρίζει τα δύο αέρια και διασφαλίζει μια ελεγχόμενη χημική αντίδραση. Ένα λεπτό στρώμα πλατίνας και στις δυο πλευρές τής πλαστικής μεμβράνης, δρα ως καταλύτης στην αντίδραση, κατά την οποία τα άτομα τού υδρογόνου διασπώνται στα στοιχεία, ηλεκτρόνια και πρωτόνια.

Οι κυψέλες καυσίμου έχουν μια αρκετά απλή δομή. Η πραγματική κυψέλη αποτελείται από τρεις στρώσεις: Άνοδος, ηλεκτρολύτης και κάθοδος. Η άνοδος και η κάθοδος χρησιμεύουν ως καταλύτες. Το  μεσαίο στρώμα  απορροφά τους ηλεκτρολύτες. Αφού μια ατομική κυψέλη παράγει μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα τάσης, πολλαπλές κυψέλες καυσίμου συνδέονται σε σειρά.

                                              Ενέργεια
                       – Άνοδος                           – Κάθοδος
                       – Καύσιμο [Η2]                  – Αέρας [Ο2]
                       – Καταλύτης                       – Νερό [Η2Ο] + Θερμότητα
                       – Μεμβράνη

Αντίθετα από τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια μπορούν να περάσουν μέσα από το ΡΕΜ στην άλλη πλευρά τής κυψέλης. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, αρνητικό φορτίο συσσωρεύεται στην άνοδο και θετικό φορτίο στην κάθοδο – εμφανίζεται ηλεκτρικό δυναμικό.

Αν οι δυο πόλοι συνδεθούν έξω από την κυψέλη, θα τους διαπεράσει ηλεκτρικό ρεύμα: μ’ άλλα λόγια, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν κατά μήκος τού καλωδίου από την άνοδο στην κάθοδο, όπου αντιδρούν τα πρωτόνια και το οξυγόνο τής ατμόσφαιρας για να σχηματίσουν για μια ακόμη φορά, νερό.

Ο κύριος παράγοντας απόδοσης τής κυψέλης καυσίμου στην μετατροπή τής χημικής σε ηλεκτρική ενέργεια είναι πάνω από 60%, υψηλότερο απ’ αυτό τής καύσης τής μηχανής, όταν κινείται με βενζίνη ή diesel. Τα εξωτερικά στρώματα τής κυψέλης αποτελούνται από πλάκες, στις οποίες ενσωματώνονται δίαυλοι αερίου. Αυτοί οι δίαυλοι κατευθύνουν την κατανομή τού αέρα και τού υδρογόνου στην κυψέλη.
Μια ατομική κυψέλη καυσίμου, η οποία είναι μόνο μερικά χιλιοστά παχιά, έχει δυναμικό εξόδου λιγότερο τού 1V (ένα βολτ). Γι’ αυτό το λόγο, μερικές εκατοντάδες απ’ αυτές τις κυψέλες ενώνονται στη λεγόμενη καμινάδα, η οποία μπορεί να σχεδιαστεί για να παράγει ένα χρησιμοποιήσιμο δυναμικό εξόδου από 12 V μέχρι 400 V.

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται, κινεί τον ηλεκτρικό κινητήρα τού οχήματος και εφοδιάζει τα περιφερειακά μέρη τού συστήματος τής κυψέλης καυσίμου, όπως η αντλία ψύξης και ο συμπιεστής. Μπορεί επίσης, να φορτίσει το σύστημα τής μπαταρίας τού οχήματος.