Βασικές αρχές και ανάπτυξη κυψελών καυσίμου
Μια κυψέλη καυσίμου είναι μια συσκευή μετατροπής ενέργειας. Βασίζεται στην αρχή της ηλεκτροχημείας, δηλαδή στην αρχή λειτουργίας μιας πρωτογενούς μπαταρίας. Η χημική ενέργεια που αποθηκεύεται στο καύσιμο και το οξειδωτικό μετατρέπεται ισοθερμικά σε ηλεκτρική ενέργεια και η πραγματική διαδικασία είναι μια οξειδοαναγωγική αντίδραση. Η κυψέλη καυσίμου αποτελείται κυρίως από τέσσερα μέρη, δηλαδή μια άνοδο, μια κάθοδο, έναν ηλεκτρολύτη και ένα εξωτερικό κύκλωμα. Το αέριο καύσιμου και το οξειδωτικό αέριο εισάγονται αντιστοίχως από την άνοδο και την κάθοδο της κυψέλης καυσίμου. Το αέριο καύσης εκπέμπει ηλεκτρόνια στην άνοδο και τα ηλεκτρόνια οδηγούνται στην κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος και συνδυάζονται με το οξειδωτικό αέριο για τη δημιουργία ιόντων. Κάτω από τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα ιόντα μεταναστεύουν στην άνοδο μέσω του ηλεκτρολύτη, αντιδρούν με το αέριο καύσης, σχηματίζουν βρόχο και παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Ταυτόχρονα, η κυψέλη καυσίμου παράγει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας λόγω της δικής της ηλεκτροχημικής αντίδρασης και της εσωτερικής αντίστασης της μπαταρίας. Οι κάθοδοι της μπαταρίας, επιπλέον των αγώγιμων ηλεκτρονίων, λειτουργούν επίσης ως καταλύτης για την αντίδραση οξειδοαναγωγής. Όταν το καύσιμο είναι ένας υδρογονάνθρακας, η άνοδος απαιτείται να έχει υψηλότερη καταλυτική δραστικότητα. Οι άνοδοι και οι κάθοδοι είναι συνήθως πορώδεις για να διευκολύνουν τη διέλευση των αερίων αντίδρασης και την εκροή του προϊόντος. Ο ηλεκτρολύτης λειτουργεί για να μεταφέρει ιόντα και να διαχωρίζει το αέριο καύσης και το αέριο οξείδωσης. Για να εμποδιστεί η ανάμιξη των δύο αερίων, προκαλείται το εσωτερικό βραχυκύκλωμα της μπαταρίας και ο ηλεκτρολύτης είναι συνήθως πυκνή δομή.