Κυψέλη καυσίμου και διάβρωση
Μια κυψέλη καυσίμου μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από το καύσιμο μέσω της χρήσης μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Αυτές οι κυψέλες απαιτούν συνεχή παροχή καυσίμου καθώς και την παρουσία ενός οξειδωτικού παράγοντα προκειμένου να διατηρηθούν οι αντιδράσεις που παράγουν ηλεκτρισμό (γενικά οξυγόνο). Ως αποτέλεσμα, μέχρι να διακοπεί η παροχή καυσίμου και οξυγόνου, αυτές οι κυψέλες θα συνεχίσουν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια επ' αόριστον.
Λειτουργία κυψέλης καυσίμου
Είναι δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την αντίδραση μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου χρησιμοποιώντας μια κυψέλη καυσίμου, η οποία είναι μια συσκευή που μετατρέπει το υδρογόνο σε ηλεκτρική ενέργεια. Μια κυψέλη αυτού του τύπου χρησιμοποιήθηκε στο διαστημικό πρόγραμμα Apollo και εξυπηρετούσε δύο διακριτές λειτουργίες:χρησίμευε ως πηγή καυσίμου και ως πηγή πόσιμου νερού ταυτόχρονα.
Ένα αέριο υδρογόνο και οξυγόνο μεταφέρθηκε σε συμπυκνωμένο διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου μέσω ηλεκτροδίων άνθρακα σε αυτή την κυψέλη καυσίμου, η οποία εκτελούσε τη δουλειά της. Το παρακάτω είναι ένα παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο μπορεί να γραφτεί η απόκριση των κελιών:
Αντίδραση καθόδου: O2 + 2H2O – 4e– + 4OH–
Αντίδραση ανόδου: 2H2 + 4OH– – 4H2O + 4e–
Αντίδραση καθαρού κυττάρου: 2H2 + O2 – 2H2O + 4e–
Ο ρυθμός αντίδρασης αυτής της ηλεκτροχημικής απόκρισης, από την άλλη πλευρά, είναι εξαιρετικά αργός. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να επιλυθεί με τη βοήθεια ενός καταλύτη όπως η πλατίνα ή το παλλάδιο, μεταξύ άλλων. Πριν ενσωματωθεί στα ηλεκτρόδια, ο καταλύτης χωρίζεται λεπτώς προκειμένου να αυξηθεί η αποτελεσματική επιφάνεια των ηλεκτροδίων.
Τύποι κυψελών καυσίμου
1) Η κυψέλη καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης (PEM)
•Αυτές οι κυψέλες, οι οποίες είναι επίσης γνωστές ως κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (ή PEMFC).
Το εύρος θερμοκρασίας στο οποίο λειτουργούν αυτές οι κυψέλες είναι από 50°C έως 100°C, ανάλογα με το μοντέλο.
•Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται στα PEMFC είναι ένα πολυμερές που έχει την ικανότητα να αγώγει πρωτόνια.
•Μια τυπική κυψέλη καυσίμου PEM αποτελείται από διπολικές πλάκες, έναν καταλύτη, ηλεκτρόδια και μια πολυμερή μεμβράνη, μεταξύ άλλων στοιχείων.
2) Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος
•Η χρήση του φωσφορικού οξέος ως ηλεκτρολύτη σε αυτές τις κυψέλες καυσίμου βασίζεται στη διοχέτευση του Η++.
•Αυτός ο τύπος κυψέλης λειτουργεί σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 150°C έως 200°C κατά την κανονική λειτουργία.
•Λόγω της μη αγώγιμης φύσης του φωσφορικού οξέος, τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να ταξιδέψουν μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος για να φτάσουν στην κάθοδο προκειμένου να λειτουργήσουν.
3) Κυψέλη καυσίμου στερεού οξέος
•Ως ηλεκτρολύτης σε αυτές τις κυψέλες καυσίμου, ένα στερεό όξινο υλικό χρησιμοποιείται ως καταλύτης.
•Οι μοριακές δομές αυτών των στερεών οξέων ταξινομούνται όταν θερμαίνονται σε χαμηλές θερμοκρασίες.
•Όταν οι θερμοκρασίες αυξάνονται πάνω από ένα συγκεκριμένο σημείο, μπορεί να συμβεί μετάβαση φάσης, με αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της αγωγιμότητας.
Πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου
1) Πιο σταθερό:Οι κυψέλες καυσίμου έχουν σχεδιαστεί για να διασφαλίζουν ότι η κίνηση διαφορετικών τμημάτων εντός και γύρω από την κυψέλη περιορίζεται στο ελάχιστο. Επομένως, είναι πιο αξιόπιστα και βολικά από ένα τυπικό κινητό τηλέφωνο.
2) Η διαδικασία διαχωρισμού των ατόμων και παραγωγής ενέργειας στις κυψέλες καυσίμου είναι εξαιρετικά καθαρή και εργονομική, γεγονός που συμβάλλει στη διατήρηση των φυσικών πόρων. Ως αποτέλεσμα, είναι ωφέλιμο για τους φυσικούς πόρους.
3) Οι κυψέλες καυσίμου είναι μακράν η πιο εργονομική λύση όταν συνδυάζονται με άλλες τεχνολογίες, και αυτό παρέχεται δωρεάν. Έχετε τη δυνατότητα να σχεδιάσετε τον δικό σας συνδυασμό τουρμπινών και ηλιακών συλλεκτών. Ως αποτέλεσμα, έχει καθιερωθεί ως συμπληρωματικό.
4) Οι κυψέλες καυσίμου είναι κλιμακωτές, που σημαίνει ότι μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια σε ποσότητες που κυμαίνονται από μερικά milwatt έως αρκετά megawatt. Συμβάλλει επίσης στην τροφοδοσία μιας ποικιλίας συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των κινητών τηλεφώνων και των σπιτιών. Ως αποτέλεσμα, κλιμακώνονται εύκολα.
Μικροβιακή κυψέλη καυσίμου
Η μικροβιακή κυψέλη καυσίμου (επίσης γνωστή ως MFC) είναι ένας τύπος βιοηλεκτροχημικού συστήματος κυψελών καυσίμου που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα εκτρέποντας ηλεκτρόνια που παράγονται από τη μικροβιολογική οξείδωση ανηγμένων ενώσεων (επίσης γνωστών ως καύσιμο ή δότης ηλεκτρονίων) στο η άνοδος σε οξειδωμένες ενώσεις υψηλής ενέργειας όπως το οξυγόνο (επίσης γνωστό ως οξειδωτικός παράγοντας ή δέκτης ηλεκτρονίων) στην κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Οι MFC μπορούν να χωριστούν σε δύο γενικές κατηγορίες:αυτές που διαμεσολαβούνται και αυτές που δεν διαμεσολαβούνται.
Διάβρωση
Η διάβρωση ορίζεται ως η διαδικασία της σκουριάς. Μια φυσική διαδικασία που προκαλεί τον μετασχηματισμό των καθαρών μετάλλων σε ανεπιθύμητες ουσίες όταν αντιδρούν με άλλες ουσίες όπως το νερό ή ο αέρας, σύμφωνα με τον ορισμό της διάβρωσης, περιγράφεται ως εξής:Όταν το μέταλλο έρχεται σε επαφή με το περιβάλλον, αυτή η αντίδραση προκαλεί βλάβη ή αποσύνθεση, η οποία εξαπλώνεται με την πάροδο του χρόνου σε ολόκληρο το μεγαλύτερο μέρος του μετάλλου και τελικά προκαλεί την αποτυχία του.
Παράδειγμα διάβρωσης
Όταν το σιδηρομετάλλευμα έρχεται σε επαφή με το οξυγόνο που υπάρχει στον υγρό αέρα, σχηματίζεται ένα καφέ επίχρισμα από πάνω του ως αποτέλεσμα του σχηματισμού διοξειδίου του άνθρακα. Όταν το σιδηρομετάλλευμα έρχεται σε επαφή με το οξυγόνο που υπάρχει στον υγρό αέρα, σχηματίζεται ένα καφέ επίχρισμα από πάνω του. Η σκουριά του σιδήρου είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει αυτή τη διαδικασία.
Η διάβρωση μπορεί να αποφευχθεί ακολουθώντας αυτά τα βήματα:
Τα σημεία πρόληψης διάβρωσης που αναφέρονται παρακάτω δείχνουν πώς μπορεί να αποφευχθεί η διάβρωση με διάφορους τρόπους.
Γαλβανισμός
Ενα λεπτό στρώμα ψευδαργύρου εφαρμόζεται στην επιφάνεια του σιδήρου κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Συνήθως επιτυγχάνεται βουτώντας μια σιδερένια ράβδο σε λιωμένο ψευδάργυρο (βλ. εικόνα). Το εσωτερικό μέρος του σιδήρου προστατεύεται από τη διάβρωση με ένα στρώμα ψευδαργύρου που εφαρμόζεται πάνω του.
Επανάβαφή και λίπανση
Η εφαρμογή ενός στρώματος λίπους ή βαφής σε μια μεταλλική επιφάνεια μπορεί να βοηθήσει στην αποτροπή της έκθεσης του μετάλλου στο εξωτερικό περιβάλλον, αποτρέποντας έτσι τη διάβρωση.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ
Μια κυψέλη καυσίμου μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από το καύσιμο μέσω της χρήσης μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Αυτές οι κυψέλες απαιτούν συνεχή παροχή καυσίμου καθώς και την παρουσία ενός οξειδωτικού παράγοντα προκειμένου να διατηρηθούν οι αντιδράσεις που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια (γενικά οξυγόνο). Οι τύποι κυψελών καυσίμου είναι –
(1)Κυψέλη καυσίμου PEM
(2)Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος
(3)Κυψέλη καυσίμου στερεού οξέος.
Οι κυψέλες καυσίμου έχουν σχεδιαστεί για να διασφαλίζουν ότι η κίνηση διαφορετικών τμημάτων εντός και γύρω από την κυψέλη περιορίζεται στο ελάχιστο. Ως εκ τούτου, είναι πιο αξιόπιστα και βολικά από ένα τυπικό κινητό τηλέφωνο. Η διάβρωση ορίζεται ως η διαδικασία της σκουριάς. Μια φυσική διαδικασία που προκαλεί τη μετατροπή των καθαρών μετάλλων σε ανεπιθύμητες ουσίες όταν αντιδρούν με άλλες ουσίες όπως το νερό ή ο αέρας.
