Αν και από το 1839 ο Βρετανός William Grove είχε ανακαλύψει την αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου (κ.κ.), πέρασαν 120 χρόνια μέχρι η NASA να χρησιμοποιήσει τις κυψέλες καυσίμου (ενεργειακές) για τις ανάγκες των διαστημικών πτήσεων. Έτσι από το 1960 η βιομηχανία άρχισε να αναγνωρίζει την εμπορική εξέλιξη των κυψελών καυσίμου παρά τα μεγάλα εμπόδια που προέρχονταν από την ανύπαρκτη μέχρι τότε τεχνολογία και το υψηλό προβλεπόμενο κόστος της παραγόμενης ενέργειας σε σχέση με την υπάρχουσα τεχνολογία.
Από το 1984 η Υπηρεσία Τεχνολογίας των μεταφορών του τμήματος ανάπτυξης ενέργειας στις ΗΠΑ έδωσε ώθηση στον Ιδιωτικό και Δημόσιο Τομέα για την ανάπτυξη της έρευνας και της τεχνολογίας για τις κυψέλες καυσίμου με αποτέλεσμα εκατοντάδες εταιρειών, σε όλο τον κόσμο, να ξεκινήσουν να εργάζονται για την ανάπτυξη των κυψελών καυσίμου.
Σήμερα πολλές και αξιόλογες εταιρείες παγκοσμίως, οδηγούμενες από τεχνικές, οικονομικές και κοινωνικές δυνάμεις προσπαθούν να βελτιώσουν τη τεχνολογία των κυψελών καυσίμου ώστε να επιτευχθούν, αυξημένη απόδοση, μεγάλη διάρκεια ζωής, αξιοπιστία, χαμηλό κόστος και περιβαλλοντολογικά οφέλη, από τη χρήση αυτών.

Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές κυψέλες μέσα στις οποίες η χημική ενέργεια ενός κατάλληλου καυσίμου μετατρέπεται συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια με τη χρήση του οξυγόνου (O2) της ατμόσφαιρας. Τα πιο κοινά καύσιμα τα οποία διατίθενται σε τέτοιες εφαρμογές είναι το υδρογόνο (H2), η μεθανόλη (CH3OH) και σε πιο περιορισμένο βαθμό, το μεθάνιο (σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες). Επειδή τα συμβατικά καύσιμα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν απ’ ευθείας, αυτά θα πρέπει να μετατραπούν σε H2 σε μία χημική αντίδραση αναδημιουργίας αερίου. Η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου είναι πολύ αποδοτική και παράγει χαμηλά επίπεδα εκπομπών ρυπαντών. Αυτές είναι σπονδυλωτές σε σχεδίαση και μπορούν για τον λόγο αυτόν να χρησιμοποιηθούν σε μία ευρεία κλίμακα ρεύματος από μερικά watt σε αρκετά megawatt (MW).

Εξ αιτίας αυτών των χαρακτηριστικών και των πολλά υποσχόμενων νέων εξελίξεων στον τομέα των κυψελών καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας, οι κατασκευαστές των αυτοκινήτων βλέπουν τώρα την κίνηση με κυψέλες καυσίμου σαν μία σοβαρή εναλλακτική στον κινητήρα εσωτερικής καύσης για τις αυτοκινητιστικές εφαρμογές. Για τον λόγο αυτόν, οι μεγάλοι ιδιαίτερα κατασκευαστές οχημάτων εργάζονται εντατικά στην εξέλιξη κυψελών καυσίμου που είναι κατάλληλες για αυτοκινητιστική χρήση.

Διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου (Fuel Cells) είναι οι κάτωθι:

1. Μεμβράνης Ανταλλαγής Πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC’s)
2. Αλκαλικές (Alkaline Fuel Cells, AFC’s)
3. Μεθανόλης (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC’s)
4. Στερεών Οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC’s)
5. Φωσφορικού Οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC’s)
6. Τετηγμένων Ανθρακικών Αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC’s)

Όμως, μία ρεαλιστική αξιολόγηση της κίνησης με κυψέλη καυσίμου όσον αφορά το περιβαλλοντικό όφελος και το όφελος του πελάτη είναι δυνατή μόνον εάν εξετάσουμε την συνολική εικόνα. Όσον αφορά τις εκπομπές, δεν πρέπει να ληφθούν υπόψη μόνον οι άμεσες εκπομπές από το αυτοκίνητο, αλλά επίσης και εκείνες που παράγονται κατά την διαδικασία της κατασκευής της κυψέλης καυσίμου. Το ίδιο ισχύει και για την αποδοτικότητα του συστήματος, η οποία μπορεί να συγκριθεί με τους άλλους τύπους μετάδοσης κίνησης μόνον εάν ληφθεί υπόψη η συνολική αποδοτικότητα ολόκληρης της διαδικασίας από την πρωτογενή πηγή ενέργειας έως τους τροχούς κίνησης.

Η πιο σημαντική εφαρμογή για τις κυψέλες καυσίμου μέχρι σήμερα είναι αυτή του μέσου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στα διαστημόπλοια και στα υποβρύχια.

Κυψέλη καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολύτη (αρχή λειτουργίας). (1) Υδρογόνο, (2) Ηλεκτρικό φορτίο, (3) Αέρας (οξυγόνο), (4) Καταλυτικός μετατροπέας, (5) Ηλεκτρολύτης, (6) Διπολική πλάκα, (7) Υδρατμοί και υπόλοιπος αέρας

Σε αντίθεση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου δεν απαιτεί μία συγκεκριμένη (υψηλή) θερμοκρασία, μερικές κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ άλλες είναι σχεδιασμένες για θερμοκρασίες μέχρι έως περίπου 1.000 C. Οι διάφορες σχεδιάσεις διαφέρουν μεταξύ τους πάνω απ’ όλα από τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται, ο οποίος εξαρτάται από την θερμοκρασία. Μέχρι τους 90 °C περίπου ο ηλεκτρολύτης είναι υδατοειδής ή περιέχει νερό. Από μέσης κλίμακας θερμοκρασίες (500…700°C), οι λυόμενοι ανθρακικοί αλκαλικοί ηλεκτρολύτες έχουν γίνει το στάνταρτ, ενώ για υψηλές θερμοκρασίες (800…1.000 °C), μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνον συμπαγείς ηλεκτρολύτες με βάση το κεραμικό (π.χ. διοξείδιο του ζιρκονίου). Εκτός από τις διαφορές στον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται, οι κυψέλες καυσίμου διαφέρουν επίσης και σύμφωνα με τα υλικά των ηλεκτροδίων τους. Οι κυψέλες καυσίμου αναφέρονται συχνά σύμφωνα με τα ακρωνύμιά τους.

Αν και έχουν γίνει προσπάθειες από καιρό να λειτουργήσουν κυψέλες καυσίμου απ’ ευθείας χρησιμοποιώντας διάφορα καύσιμα, οι κυψέλες καυσίμου που διατίθενται σήμερα πρέπει να χρησιμοποιούν H2 σαν πηγή της ενέργειάς τους. Προς το παρόν ¬το H2 λαμβάνεται γενικά από φυσικό αέριο ή άλλα ορυκτά καύσιμα υπό μορφή μίας χημική αντίδραση αναδημιουργίας αερίου. Για εφαρμογές σε κίνηση, το H2 θα πρέπει είτε να αποθηκευτεί μέσα στο όχημα ή να προέλθει από ένα άλλο καύσιμο επί του οχήματος.

Οι κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούνται σήμερα στα αυτοκίνητα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικής αντίδρασης μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου χωρίς να παράγουν βλαβερές εκπομπές.

Ουσιαστικά, οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια μιας αντίδρασης απευθείας σε ηλεκτρική. Η βασική φυσική δομή μιας κυψέλης καυσίμου αποτελείται από μια λεπτή μεμβράνη ηλεκτρολύτη που έρχεται σε επαφή με μια πορώδη άνοδο από τη μια πλευρά και μια πορώδη κάθοδο από την άλλη.

Μια σχηματική αναπαράσταση κυψέλης καυσίμου, με τα αντιδρώντα και τα παράγωγα καθώς και η πορεία των ιόντων διαμέσου της κυψέλης, φαίνεται στο σχήμα 1.

Σε μια συνήθη κυψέλη καυσίμου τα καύσιμα σε αέρια μορφή (π.χ. υδρογόνο) τροφοδοτούνται συνεχώς προς την άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και ένα οξειδωτικό (π.χ. οξυγόνο) τροφοδοτείται προς την κάθοδο (θετικό ηλεκτρόδιο). Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στα ηλεκτρόδια για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Μια κυψέλη καυσίμου, αν και έχει στοιχεία και χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά μιας μπαταρίας, διαφέρει με αυτήν αρκετά. Η μπαταρία είναι μονάδα αποθήκευσης ενέργειας. Η μέγιστη διαθέσιμη ενέργεια καθορίζεται από την ποσότητα της χημικής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στην μπαταρία.

Η μπαταρία θα σταματήσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν η χημική της ενέργεια καταναλωθεί, δηλαδή όταν αυτή αποφορτιστεί. Για την επαναφόρτιση της, πρέπει να την τροφοδοτήσουμε με ενέργεια από μια εξωτερική πηγή. Από την άλλη, η κυψέλη καυσίμου είναι μια συσκευή μετατροπής ενέργειας που θεωρητικά έχει τη δυνατότητα να παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο το καύσιμο και το οξειδωτικό παρέχονται στα ηλεκτρόδια. Στην πραγματικότητα όμως, η χημική διάβρωση και η δυσλειτουργία των υλικών περιορίζει πρακτικά τη λειτουργική διάρκεια των κυψελών καυσίμου.

Το αέριο υδρογόνο είναι το καύσιμο για τις περισσότερες εφαρμογές, εξαιτίας της υψηλής του αντιδραστικότητας, της δυνατότητας να παράγεται από υδρογονάνθρακες και της υψηλής του ενεργειακής πυκνότητας όταν αποθηκεύεται κρυογενικά, όπως στο διάστημα. Παρομοίως, το οξυγόνο είναι το πιο κοινό οξειδωτικό αφού είναι ευρέως διαθέσιμο στην ατμόσφαιρα και εύκολα αποθηκεύεται.

Κυψέλη καυσίμου υδρογόνου

Τόσο οι κυψέλες καυσίμου όσο και οι μπαταρίες είναι γαλβανικά στοιχεία και έχουν μεταξύ τους πολλές ομοιότητες. Και οι κυψέλες καυσίμου και οι μπαταρίες αποτελούνται από μία άνοδο και μία κάθοδο σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη. Και οι δύο διατάξεις παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα μετατρέποντας τη χημική τους ενέργεια που αρχικά βρίσκεται σε υψηλότερη στάθμη σε χημικές ενώσεις χαμηλότερης στάθμης ενέργειας. Η διαφορά αυτή της χημικής ενέργειας μεταξύ αρχικής και τελικής κατάστασης μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω της ηλεκτροχημικής αντίδρασης.

Οι αντιδράσεις γίνονται στην άνοδο και τη κάθοδο, ενώ τα παραγόμενα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από την άνοδο στη κάθοδο μέσω εξωτερικού κυκλώματος και αποτελούν το ηλεκτρικό ρεύμα. Η ηλεκτρική τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου είναι σχετικά μικρή και στις κυψέλες καυσίμου και στις μπαταρίες που αποτελούνται από ένα γαλβανικό στοιχείο. Για να επιτύχουμε την απαιτούμενη ηλεκτρική τάση συνδέουμε πολλά στοιχεία είτε των κυψελών καυσίμου είτε των μπαταριών σε σειρά.

Οι κυψέλες καυσίμου διαφέρουν από τις μπαταρίες στην άνοδο και κάθοδο του στοιχείου. Στις μπαταρίες η άνοδος και η κάθοδος είναι μεταλλικές. Συνήθως ο ψευδάργυρος και το λίθιο χρησιμοποιούνται για άνοδο και τα μεταλλικά τους οξείδια για κάθοδο. Έτσι κυψέλες καυσίμου είναι ουσιαστικά αέρια το Η2 για την άνοδο και το Ο2 για τη κάθοδο, τα οποία έρχονται σε επαφή με καταλύτη από λευκόχρυσο για να επιταχυνθούν οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις.

Οι κυψέλες καυσίμου διαφέρουν επίσης από τις μπαταρίες σε ότι αφορά την αποθήκευση των αντιδρώντων ουσιών. Στις μπαταρίες η άνοδος και η κάθοδος αποτελούν τα αντιδρώντα υλικά και καταναλώνονται κατά τη διάρκεια της χρήσης τους.

Όταν τα υλικά αυτά καταναλωθούν τότε σταματά η λειτουργία της μπαταρίας και αυτή πρέπει ή να αντικατασταθεί ή να επαναφορτιστεί, ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται.

Στις κυψέλες καυσίμου τα αντιδρώντα υλικά τροφοδοτούνται συνεχώς από μία εξωτερική πηγή, από τη δεξαμενή καυσίμου το Η2 και από τον ατμοσφαιρικό αέρα το Ο2, και επομένως οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να λειτουργούν συνεχώς όσο υπάρχει καύσιμο Η2 διαθέσιμο.

Πλαίσιο οχήματος υδρογόνου Honda. Στα υβριδικά οχήματα κυψελών καυσίμου (FCVs), το υδρογόνο αποθηκεύεται σε δεξαμενές καυσίμου που βρίσκονται επί του οχήματος και η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την κυψέλη καυσίμου τροφοδοτεί μια μπαταρία που ενεργοποιεί τον ηλεκτροκινητήρα που δίνει κίνηση στους τροχούς.

Υπάρχουν ομοιότητες μεταξύ κυψελών καυσίμου και τις ΜΕΚ. Και οι δύο διατάξεις χρησιμοποιούν αέρια καύσιμα τα οποία προέρχονται από μία αποθήκη καυσίμου, Η2 για τις κυψέλες καυσίμου, ατμοί βενζίνης για τις ΜΕΚ.
Και οι δύο διατάξεις χρησιμοποιούν καύσιμα πλούσια σε Η2. Οι κυψέλες καυσίμου καθαρό Η2 ή καύσιμο από το οποίο έχει διαχωριστεί το Η2, π.χ. μεθανόλη, ενώ και η βενζίνη και το πετρέλαιο είναι ορυκτά καύσιμα πλούσια σε Η2 (υδρογονάνθρακες).

Και οι δύο διατάξεις χρησιμοποιούν πεπιεσμένο αέρα σαν οξειδωτικό μέσο. Στις κυψέλες καυσίμου ο αέρας συμπιέζεται από εξωτερικό αεροσυμπιεστή, στις ΜΕΚ ο αέρας συμπιέζεται κατά τη κίνηση του εμβόλου.

Επίσης και οι δύο διατάξεις απαιτούν την ύπαρξη συστήματος ψύξης αν και η θερμότητα που πρέπει να διοχετευθεί στο περιβάλλον είναι μεγαλύτερη στις ΜΕΚ.

Υπάρχουν όμως και σοβαρές διαφορές. Στις κυψέλες καυσίμου η αντίδραση μεταξύ καυσίμου (Η2) και οξειδωτικό (Ο2) είναι ηλεκτροχημική ενώ στις ΜΕΚ η αντίδραση αυτή είναι ταχεία καύση του καυσίμου με ανάπτυξη υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας.

Επίσης οι ΜΕΚ είναι μηχανικά συστήματα που παράγουν από τη χημική ενέργεια του καυσίμου μηχανική ενέργεια, ενώ οι κυψέλες καυσίμου είναι σταθερές διατάξεις, χωρίς κινούμενα μέρη που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Υβριδικός κινητήρας κυψελών καυσίμου

Όχημα με κυψέλες καυσίμου TOYOTA FCV CONCEPT

Υβριδικό όχημα κυψελών καυσίμου CHEVROLET FCV