Οι κυψελίδες καυσίμου (ή fuel cells) είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις απευθείας μετατροπής της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια: την άνοδο και την κάθοδο, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται ο ηλεκτρολύτης, ο οποίος είναι αγωγός ιόντων, δηλαδή αγωγός 2ου είδους.

Κατά τη λειτουργία της κυψελίδας καυσίμου (fuel cell) εμφανίζονται υπερτάσεις (απώλειες), οι οποίες χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες:

  • Στην υπέρταση ενεργοποίησης
  • Στην ωμική υπέρταση
  • Στην υπέρταση συγκέντρωσης

Υπέρταση ενεργοποίησηςΕπεξεργασία

Η υπέρταση ενεργοποίησης (activation polarization) εμφανίζεται, όταν ο ρυθμός μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου καθορίζεται από την αργή κινητική του ηλεκτροδίου. Με άλλα λόγια η υπέρταση ενεργοποίησης σχετίζεται άμεσα με τους ρυθμούς των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Το ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή η συνεχής ροή των ηλεκτρονίων από την άνοδο προς την κάθοδο, έχει σαν αποτέλεσμα τη μεταβολή του δυναμικού ισορροπίας ανάλογα με την ένταση του ρεύματος και ονομάζεται υπέρταση ή πόλωση ηλεκτροδίου. Το φαινόμενο, λοιπόν, της υπέρτασης συνδέεται άμεσα με την ένταση του ρεύματος που διαρρέει το ηλεκτρόδιο και συνεπώς με την ταχύτητα που πραγματοποιούνται οι ηλεκτροχημικές δράσεις (κινητική των ηλεκτροδιακών δράσεων).

Ωμική υπέρτασηΕπεξεργασία

Η ωμική υπέρταση προκαλείται από την αντίσταση στην αγωγή των ιόντων μέσω του ηλεκτρολύτη και των ηλεκτρονίων, μέσω των ηλεκτροδίων και των συλλεκτών ρεύματος, καθώς και από την αντίσταση επαφής μεταξύ των εξαρτημάτων των κυψελίδων. Η πτώση τάσης είναι σημαντική σε όλους τους τύπους κελιών, γραμμική και ανάλογη με την πυκνότητα ρεύματος. Επειδή η ροή ιόντων στον ηλεκτρολύτη, όπως και η ροή ηλεκτρονίων στα ηλεκτρόδια υπακούν στο νόμο του Ohm, οι ωμικές απώλειες μπορούν να εκφραστούν από τη σχέση:

 

όπου i είναι η πυκνότητα ρεύματος (A/m2) που διαρρέει την κυψέλη και RΟhm η εσωτερική αντίσταση της κυψελίδας, που περιλαμβάνει τις ηλεκτρονιακές και τις ιοντικές αντιστάσεις, καθώς και την αντίσταση λόγω επαφής (contact resistance).