Ενεργειακές κυψέλες (fuel cells)

f12_resize2

Το 1839 ο W.Grove είχε αποδείξει πως μια απλή συσκευή που απαρτίζονταν από δύο καταλύτες (υδρογόνου και οξυγόνου) βυθισμένοι σε ηλεκτρολυτικό θειούχο λουτρό παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια. Την συγκεκριμένη συσκευή την αποκάλεσε «βολταϊκή μπαταρία αερίου», η πρώτη ουσιαστικά ήταν η πρώτη ενεργειακή κυψέλη (fuel cell) που καταγράφηκε στην ιστορία. Σε τι διαφέρει όμως μια απλή μπαταρία από μια ενεργειακή κυψέλη;

Όπως είχε αντιληφθεί και ο Ουαλός φυσικός, οι μπαταρίες από στερεά υλικά, όπως ο ψευδάργυρος, αποθηκεύουν χημική ενέργεια την οποία εν συνεχεία μετατρέπουν σε ηλεκτρική. Όταν όμως η χημική ενέργεια εξαντληθεί τότε η μπαταρία αχρηστεύεται. Αντίθετα, οι ενεργειακές κυψέλες δεν αποθηκεύουν την χημική ενέργεια ενός καυσίμου αλλά την μετατρέπουν κατευθείαν σε ηλεκτρική χωρίς να χρειάζονται επαναφόρτιση παρά μόνο συνεχή ανεφοδιασμό με καύσιμο. Αν τα πράγματα είναι τόσο απλά γιατί δεν τι στάθηκε εμπόδιο στην εξέλιξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας;

Αφενός, πρακτικοί λόγοι καθώς δεν υπήρχαν τα μέσα για να αναπτυχθεί η τεχνολογία των ενεργειακών κυψελών. Αφετέρου, η εμφάνιση των μηχανών εσωτερικής καύσης Otto και Diesel που καίνε ορυκτά καύσιμα, όπως το πετρέλαιο και η βενζίνη, ήσαν οι σημαντικότεροι λόγοι που πάγωσαν την ιδέα μιας θεωρητικά ανεξάντλητης πηγής ενέργειας με βάση το υδρογόνο, την ενεργειακή κυψέλη. Έτσι λοιπόν, χρειάστηκε να περάσει περισσότερος από ενάμισης αιώνας για να επανέλθουν οι ενεργειακές κυψέλες στο προσκήνιο, όταν η NASA αναζητούσε ελαφριά πηγή ηλεκτρικού ρεύματος που να τροφοδοτεί τα διαστημόπλοια της στην κόντρα με τις πρώην ΕΣΣΔ για την κατάκτηση του διαστήματος.

fuelcell1_resizeΗ τεχνολογία των ενεργειακών κυψελών  έχει να επιδείξει διάφορους τύπους, όπως οι κυψέλες φωσφορικού οξέως (PAFC), στερεού οξειδίου (SOFC), μεθανόλης (DMFC), τηγμένου άνθρακα (MCFC), αλκαλίων (εφαρμογές της NASA) και οι κυψέλες επιτόπου παραγωγής υδρογόνου από μεθανόλη (IR-SPFC), οι οποίες κατηγοριοποιούνται βάση του καταλύτη τους. Ωστόσο, ο αποδοτικότερος τύπος αφορά στην κυψέλη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) η οποία κατά κύριο λόγο «καίει» υδρογόνο αν και υπάρχουν περιπτώσεις όπου η προσθήκη ενός καταλυτικού μετατροπέα διαχωρίζει τα μόρια υδρογόνου από καύσιμα όπως το μεθάνιο. Το ζητούμενο από μια μονάδα κυψελών δεν είναι άλλο παρά η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που επιτυγχάνεται μετά από μια πολύπλοκη χημική διεργασία αντίστροφη της ηλεκτρόλυσης. Μια συστοιχία κυψελών αποτελείται από πολυμερείς σε σειρά μεμβράνες οι οποίες βρίσκονται εγκλωβισμένες ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια.

Η σύνθεση των ηλεκτρολυτικών μεμβρανών δεν διαφέρει και πολύ από την φόρμουλα Teflon, η θερμοκρασία λειτουργίας φτάνει μέχρι τους 80C0 ενώ το πάχος τους κυμαίνεται στα περίπου 175μm. Τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου διαθέτουν ηλεκτροχημική επικάλυψη, συνήθως λευκόχρυσος (πλατίνα) από ενεργό καταλύτη. Από την είσοδο της κυψέλης, που βρίσκεται το ηλεκτρόδιο ανόδου, διοχετεύεται υδρογόνο. Ο καταλύτης φροντίζει ώστε τα μόρια του υδρογόνου να διασπαστούν σε πρωτόνια και σε ηλεκτρόνια. Να υπενθυμίσουμε πως το ηλεκτρικό ρεύμα δεν είναι άλλο παρά η κίνηση ηλεκτρονίων προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.  Λόγω των ιδιοτήτων τους τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να διαπεράσουν την μεμβράνη και εξαναγκάζονται να κινηθούν όλα μαζί προς την κατεύθυνση του καταναλωτή που μπορεί να έχει την μορφή ενός μετασχηματιστή, ηλεκτροκινητήρα κ.α.

fuelcell2_resizeΤο ταξίδι όμως των ηλεκτρονίων συνεχίζεται γύρω από την μεμβράνη μέχρι να συναντηθούν με τα ιόντα του υδρογόνου (τα πρωτόνια) που έχουν από πριν διαπεράσει την μεμβράνη. Ηλεκτρόνια και πρωτόνια φτάνουν στην κάθοδο όπου υπάρχει ατμοσφαιρικός αέρας. Η επαφή τους με το οξυγόνο του αέρα έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία νερού, από εκεί δηλαδή που ξεκινά η ηλεκτρόλυση. Οι ενεργειακές κυψέλες δεν έχουν κινούμενα μέρη, είναι αθόρυβες και ελαφριές και είναι μέχρι δυόμισι φορές πιο αποδοτικές από ότι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης. Επιπλέον, οι μοναδικές εκροές είναι η ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και καθαρό αποσταγμένο νεράκι.

Ετικέτες

Nίκος Ι. Mαρινόπουλος

Πρόκειται για τον δημιουργό και συντονιστή του καρότου με τις περισσότερες τεχνολογικές βιταμίνες σε όλον τον κόσμο!

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top button
Close
Close