Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο καυσίμου (ή όπως ονομάζεται αλλιώς μια κυψέλη καυσίμου) συνιστά ένα σύστημα μετατροπής της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική με εξαιρετικά υψηλή απόδοση. Προκειμένου αυτές οι συσκευές να βελτιωθούν σε απόδοση, κόστος και αξιοπιστία, απαιτείται η ταυτόχρονη κατανόηση αρχών της ηλεκτροχημείας, της τεχνολογίας υλικών, της θερμοδυναμικής και των φαινομένων μεταφοράς μάζας και θερμότητας. Η παρούσα πτυχιακή εστιάζει στις αρχές αυτών των επιστημονικών πεδίων για τη ανάλυση και την κατασκευή των κυψελίδων καυσίμου. Συνοπτικά θα δούμε τους κύριους τύπους κυψελών καυσίμου: PEMFC, AFC, PAFC, SOFC, MCFC, DMFC, ZAFC, PCFC και BFC. Αυτοί οι τύποι κυψελών καυσίμου διαφοροποιούνται μεταξύ τους με βάση τον ηλεκτρολύτη και τον τύπο καυσίμου που χρησιμοποιούν. Ο ηλεκτρολύτης των κυψελών καυσίμου καθορίζει επίσης πολλές άλλες παραμέτρους όπως τις θερμοκρασίες λειτουργίας, τα υλικά κατασκευής και το σχεδιασμό των κυψελών και των συστοιχιών. Οι διαφορές αυτές μεταξύ των διαφόρων τύπων κυψελίδων καυσίμου οδηγούν σε σημαντικά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Όλοι οι τύποι των κυψελών καυσίμου μπορούν να λειτουργούν εξαιρετικά με καθαρό αέριο υδρογόνο, αλλά οι κυψέλες υψηλής θερμοκρασίας μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν καύσιμα με βάση υδρογονάνθρακες ή μονοξείδιο του άνθρακα. Από τους τύπους κυψελών καυσίμου που εξετάζονται σήμερα, τα PEMFC θεωρούνται ως πλέον κατάλληλα για φορητές, εφεδρικές, μεταφορικές και μικρές ακίνητες εφαρμογές, ενώ τα SOFC θεωρούνται καταλληλότερα για εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Για να μπορέσουμε να προβλέψουμε την απόδοση των κυψελών καυσίμου θα χρειαστούμε εξισώσεις και θεωρητικά εργαλεία της θερμοδυναμικής η οποία παρέχει επίσης τη βάση για την αξιολόγηση των ιδιοτήτων των συστημάτων των κυψελών καυσίμου και ιδιαίτερα για την ανάλυση των επιδράσεων της πίεσης και της θερμοκρασίας στη λειτουργία τους. Επιπλέον θα αναλυθούν οι βασικές αρχές της ηλεκτροχημεία που απαιτούνται για την πρόβλεψη της κινητικής των ηλεκτροδίων και των απωλειών ενεργοποίησης, ωμικών αντιστάσεων και συγκεντρώσεως. Έτσι θα επιτραπεί η μοντελοποίηση των κυψελίδων και θα μπορέσει να προβλεφθεί η συμπεριφορά τους ανάλογα με τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που επιτελούν και τις συνθήκες λειτουργίας τους. Η ποσότητα θερμότητας που παράγεται και το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο γύρω από την κυψέλη καυσίμου εξαρτάται από την παραγόμενη ισχύ, τις αντιδράσεις στα ηλεκτρόδια και από τις απώλειες θερμότητας που παρατηρούνται. Το ενεργειακό ισοζύγιο ποικίλει για κάθε τύπο, μέγεθος και σύστημα κυψελών καυσίμου λόγω των διαφορετικών αντιδράσεων που εμφανίζονται, της θερμικής αγωγιμότητας των κατασκευαστικών στοιχείων και του υποσυστήματος των εγκαταστάσεων. Ένα απλό μοντέλο μεταφοράς θερμότητας μπορεί να προσφέρει πολλές πληροφορίες για τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα. Η μέθοδος που επιλέγεται εξαρτάται από τον τύπο των κυψελών καυσίμου, το μέγεθος και την επιθυμητή θερμοκρασία λειτουργίας. Έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στη μοντελοποίηση των κυψελών καυσίμου κατά την τελευταία δεκαετία, αλλά χρειάζεται ακόμη περισσότερη εργασία. Για τη συνεχή πρόοδο στον τομέα αυτό, τα μοντέλα πρέπει να βασίζονται σε μια ακριβή περιγραφή των θεμελιωδών αρχών στις οποίες βασίζονται οι διάφορες διαδικασίες που συμβαίνουν σε επίπεδο μικρό-κλίμακας. Οι συνεχείς βελτιώσεις στη μαθηματική μοντελοποίηση θα επιτρέψουν στα μοντέλα να είναι πολύ χρήσιμα στη λήψη αποφάσεων σχεδιασμού και προβλέψεων απόδοσης και θα βοηθήσουν στην εμπορευματοποίηση των κυψελών καυσίμου. Στην κατεύθυνση αυτή μπορούν να βοηθήσουν διάφορα εμπορικά διαθέσιμα λογισμικά πακέτα όπως τα MATLAB, FEMLAB, FLUENT και CFD Research (ESI Group).
