Το υδρογόνο ως καύσιμο

Το υδρογόνο είναι το πιο απλό και το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Μπορούμε να το πάρουμε από διάφορους υδρογονάνθρακες με αναμόρφωση ή αεριοποίηση και από το νερό με ηλεκτρόλυση. Ορισμένα φύκια και βακτήρια χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως κάτω από ορισμένες συνθήκες παράγουν, επίσης, υδρογόνο .

Το υδρογόνο θεωρείται ως το ιδανικό αντιρρυπαντικό καύσιμο για το μέλλον:

• η ενεργειακή του πυκνότητα είναι 2,5 με 5 φορές μεγαλύτερη από αυτήν των ορυκτών καυσίμων (γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο)
• μπορεί να χρησιμοποιηθεί απ’ ευθείας σε µηχανές εσωτερικής καύσης ή ως καύσιµο σε στοιχεία ή κυψέλες καυσίµου, όπου παράγεται ενέργεια µέσω ηλεκτροχηµικής αντίδρασης.

Και στις δύο περιπτώσεις, τα προϊόντα, είτε της καύσης είτε της ηλεκτροχηµικής αντίδρασης, είναι ενέργεια (θερμότητα, ηλεκτρισμός) και καθαρό νερό, το οποίο ανακυκλώνεται μέσω της ατμόσφαιρας και της υδρόσφαιρας. Προς το παρόν, όμως, έχει μεγάλο κόστος παραγωγής και υπάρχουν ορισμένα προβλήματα, όσον αφορά στη μεταφορά και στην αποθήκευσή του.

Τα στοιχεία καυσίμου

Στα στοιχεία καυσίμου το υδρογόνο ενώνεται με οξυγόνο μέσω μιας ηλεκτροχημικής διαδικασίας και παράγεται ηλεκτρισμός, θερμότητα και καθαρό νερό. Η λειτουργία τους θυμίζει τις μπαταρίες, αλλά, αντίθετα με αυτές, τα στοιχεία καυσίμου παράγουν συνεχώς ενέργεια (ηλεκτρισμό, θερμότητα) και δε χρειάζονται επαναφόρτιση.

Υπάρχουν αρκετοί τύποι στοιχείων καυσίμου, όλα όμως έχουν την ίδια βασική δομή: δύο ηλεκτρόδια ανάμεσα στα οποία υπάρχει ένας στερεός ή υγρός ηλεκτρολύτης και ένας καταλύτης, που επιταχύνει τις δράσεις. Το υδρογόνο και το οξυγόνο (αέρας) διοχετεύονται από τις δύο απέναντι πλευρές της συσκευής.

Υπάρχουν επίσης στοιχεία που περιλαμβάνουν και έναν αναμορφωτή καυσίμου και μπορούν να χρησιμοποιήσουν διάφορα καύσιμα (π.χ. φυσικό αέριο, μεθανόλη ή και βενζίνη) ως πηγή υδρογόνου. Στην περίπτωση αυτή, η διαδικασία δεν είναι εντελώς "καθαρή", επειδή η αναμόρφωση του καυσίμου έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ατμοσφαιρικών ρύπων (κυρίως CO2). Ωστόσο, οι παρατηρούμενες εκπομπές είναι κατά πολύ μικρότερες από αυτές που έχουμε κατά την καύση ακόμη και των καθαρότερων ορυκτών καυσίμων.

Τα στοιχεία καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (P.E.M.)

Ένας πολλά υποσχόμενος τύπος στοιχείων καυσίμου για χρήση σε οχήματα, είναι τα στοιχεία μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (proton exchange membrane, P.E.M.). Στα στοιχεία αυτά ο ηλεκτρολύτης είναι ένα στερεό πολυμερές που λειτουργεί, όπως σηματοδοτεί και το όνομα τους, ως μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. Τα ηλεκτρόδια είναι από γραφίτη με επικάλυψη από Teflon εμπλουτισμένο με λευκόχρυσο, ο οποίος παίζει και το ρόλο του καταλύτη.

Στα στοιχεία P.E.M., όταν το υδρογόνο έλθει σε επαφή με το πρώτο στρώμα του καταλύτη στην άνοδο, διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια κατά το σχήμα (ημιαντίδραση αναγωγής):

άνοδος:    H2    2H+ + e-    Εο = +0,00 V Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια που παράγονται κινούνται προς το δεύτερο στρώμα του καταλύτη στην κάθοδο. Τα πρωτόνια μετακινούνται προς την κάθοδο μέσω του ηλεκτρολύτη (μεμβράνη). Τα ηλεκτρόνια όμως, επειδή δεν μπορούν να διαπεράσουν τη μεμβράνη, εξαναγκάζονται να κινηθούν μέσω ενός εξωτερικού αγωγού. Στη ροή αυτή των ηλεκτρονίων από την άνοδο στην κάθοδο μέσω του εξωτερικού αγωγού οφείλεται η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Στην κάθοδο,  πρωτόνια και ηλεκτρόνια αντιδρούν με το οξυγόνο σχηματίζοντας νερό (ημιαντίδραση αναγωγής) : κάθοδος:   O2 + 4H+ + 4e-    2H2O    Eo = +1,23 V

Δυνατότητες - Εφαρμογές

Σε πραγματικές συνθήκες, ένα στοιχείο καυσίμου παράγει ένα μικρό ποσό ρεύματος, συνήθως όμως χρησιμοποιούνται πολλά στοιχεία συνδεδεμένα μεταξύ τους σε συστοιχία. Τέτοιες συστοιχίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε φορητές συσκευές, σε οχήματα, σε διάφορες εφαρμογές που απαιτούν μικρή ισχύ ρεύματος και για την αποκεντρωμένη συμπαραγωγή (ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας) σε κτίρια και βιομηχανικές μονάδες.

Μακροπρόθεσμα προβλέπεται ότι θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν ένα σημαντικό μέρος των συστημάτων καύσης σε όλους τους τομείς παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας. Προς το παρόν, όμως, η χρήση τους είναι πολύ περιορισμένη. Αυτό οφείλεται τόσο στο μεγάλο κόστος παραγωγής και τα προβλήματα μεταφοράς και αποθηκεύσεως του υδρογόνου, όσο και σε ορισμένα ζητήματα που αφορούν στην ίδια την τεχνολογία τους.