Για πολλούς αποτελούν το µέλλον της αυτοκίνησης, καθώς σε συνδυασµό µε την ηλεκτροκίνηση µπορούν να εξασφαλίσουν οδικές µετακινήσεις µε µηδενικές εκποµπές ρύπων.
Οι κυψέλες καυσίµου είναι διατάξεις που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, χρησιµοποιώντας το υδρογόνο ως καύσιµο. Η ανακάλυψή τους είναι παλιά. Η πρώτη κυψέλη κατασκευάστηκε το 1839 από τον Sir William Grove. Μέχρι τη δεκαετία του ΄60, κανείς δεν ενδιαφέρθηκε γι’ αυτήν. Το αρχικό ενδιαφέρον προήλθε από τη NASA, η οποία, στο διαστηµικό πρόγραµµα των ΗΠΑ, επέλεξε τις κυψέλες αντί την επικίνδυνη πυρηνική ενέργεια ή την ακριβότερη ηλιακή ενέργεια. Τις χρησιµοποίησαν στα διαστηµικά σκάφη Gemini και Apollo και, αργότερα, στο Διαστηµικό Λεωφορείο.
Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια (την άνοδο και την κάθοδο), τα οποία διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης επιτρέπει τη διέλευση ιόντων, αλλά όχι και τη διέλευση των ηλεκτρονίων.
Η διαδικασία
Το υδρογόνο εισάγεται από την πλευρά της ανόδου, όπου τα ηλεκτρόνια ελευθερώνονται και κινούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην κάθοδο, όπου ενώνονται με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο, παράγοντας νερό.
Για τη διαδικασία του ιονισμού του υδρογόνου χρησιμοποιείται ένας καταλύτης υψηλής αγωγιμότητας στα ηλεκτρόδια, όπως π.χ. πλατίνα. Η κάθε κυψέλη καυσίμου παράγει τάση περίπου 0,7 V, πράγμα που σημαίνει ότι για να πάρουμε μεγαλύτερες τάσεις, που χρειάζεται ένα αυτοκίνητο, χρησιμοποιούμε περισσότερες κυψέλες σε σειρά (fuel cell stack). Εάν το καύσιμο που χρησιμοποιείται είναι καθαρό υδρογόνο, τα μόνα παράγωγα είναι ηλεκτρικό ρεύμα, καθαρό νερό και θερμότητα.
Το ιδανικό είναι να χρησιμοποιείται ως καύσιμο καθαρό υδρογόνο. Αντ’ αυτού μπορεί να παραχθεί και από κάποιο άλλο καύσιμο, φορέα υδρογόνου, μετά από την κατάλληλη επεξεργασία. Ένα τέτοιο μπορεί να είναι το φυσικό αέριο ή παράγωγα του πετρελαίου, όπως το υγρό προπάνιο ή/και η βιομάζα. Ιδανικά, το υδρογόνο είναι δυνατόν να παραχθεί με την ηλεκτρόλυση νερού, η οποία επιτυγχάνεται με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή,
η αιολική και η γεωθερμία.
Στην παρούσα φάση, το καταλληλότερο καύσιµο για τις κυψέλες καυσίµου θεωρείται το φυσικό αέριο.
Οι τύποι
Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να ταξινομηθούν, ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν, και οι γνωστότερες τεχνολογίες είναι:
- PAFC – Φωσφορικό οξύ
- MCFC – Τηγμένα ανθρακικά άλατα
- SOFC – Σταθεροποιημένα οξείδια
- PEMFC ή PEM – Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων
- AFC – Αλκάλια.
Ο πιο συνήθης τύπος είναι οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίου (PEM), οι οποίες λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και παράγουν ισχύ αρκετή για την ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών και την κίνηση ενός αυτοκινήτου.
Κυψέλη ή µπαταρία;
Τα αυτοκίνητα που διαθέτουν κυψέλες υδρογόνου, όπως και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, χρησιμοποιούν ηλεκτροκινητήρες για την κίνησή τους.
Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα παίρνουν ρεύμα από μπαταρίες ιόντων λιθίου, ενώ τα αυτοκίνητα με κυψέλες υδρογόνου παίρνουν ρεύμα από μία κυψέλη καυσίμου υδρογόνου, η οποία χρησιμοποιεί υδρογόνο ως καύσιμο για την παραγωγή ενέργειας.
Το υδρογόνο µπορεί να παραχθεί µε την ηλεκτρόλυση νερού, η οποία επιτυγχάνεται µε ΑΠΕ.
Και οι δύο τύποι παράγουν μηδενικές εκπομπές ρύπων. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να προέρχεται από ορυκτά καύσιμα ή από ανανεώσιμες πηγές. Από την άλλη, το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου παράγεται με φυσικό αέριο, που ναι μεν δεν είναι ανανεώσιμο, αλλά υπάρχει η δυνατότητα της παραγωγής του από την αιολική, την ηλιακή και από άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Στον τομέα της αυτονομίας, οι κυψέλες υδρογόνου πλεονεκτούν σημαντικά, όπως, επίσης και σε ότι αφορά την ενεργειακή πυκνότητα. Ειδικά στα βαριά οχήματα, η διαφορά είναι σημαντική. Ενδεικτικά, σε ένα φορτηγό με αυτονομία 800 χιλιομέτρων, ένα σύστημα μετάδοσης κίνησης με κυψέλες καυσίμου μπορεί να ζυγίζει έως και δύο τόνους λιγότερο από ένα ηλεκτρικό με μπαταρίες.
Παράλληλα, η πλήρης φόρτιση σε έναν τυπικό φορτιστή, για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορεί να διαρκέσει ώρες. Για ένα αυτοκίνητο με κυψέλες υδρογόνου χρειάζονται λίγα μόλις λεπτά.
Σημαντικό: Στον τομέα της ασφάλειας και οι δύο τεχνολογίες έχουν τα προβλήματά τους. Τα προβλήματα με τις χαμηλές θερμοκρασίες που υπάρχουν στις μπαταρίες, δεν συναντώνται στις δεξαμενές υδρογόνου.
Η τεχνολογία με τις κυψέλες υδρογόνου παραμένει σημαντικά πιο ακριβή από άλλες, ενώ ο αριθμός των πρατηρίων υδρογόνου, ως τώρα, είναι ιδιαίτερα χαμηλός.
