pile de combustie
TRANSCRIPT
Pile de combustie
Ideea de a obtine energie electricä prin conversia directa a energiei chimice a
aparut atunci cand s-a pus problema desfasurarii in sens invers a fenomenului de
electroliza a apei (in urma caruia rezulta componentele acesteia), adica de a obtine curent
electric in urma reactiei dintre hidrogen si oxigen.
In anul 1801, Davy a realizat acest lucru utilizind carbonul drept combustibil si
acidul nitric drept oxidant. Cercetarile au fost continuate de Ostwald Nerst, Haber s.a.
deoarece conversia directa a energiei chimice in energie electrica evita veriga energie
termica si, deci, randamentul de transformane nu depinde de limitele Carnot.
Pilele de combustie pot fi incadrate in sistemele energetice de tip “soft” datorita
urmätoarelor caracteristici:
- produc curent electic continuu la tensiuni scàzute si intensitati medii care poate
fi folosit direct de catre utilizatorii finali.
- nu produc poluarea mediului;
- functioneaza linistit, farä vibratii sau zgomote, neavind elemente in miscare etc.
Principial, energia eliberata la oxidarea cornbustibililor conventionali, utilizata in
general sub forma de caldurà, poate fi covertita direct in energie electricà cu un
randament excelent, intr-o pilà de combustie. Deoarece in aproape toate reactiile de
oxidare intervine un transfer de electroni intre combustibil si oxidant, este evident ca
energia chimica de oxidare poate fi convertita direct in energie electrica. Se produce o
reactie de oxido-reducere in care are loc oxidarea combustibilului si reducerea
oxidantului cu o pierdere din partea unula si cu un castig de electroni pentru celalalt.
Orice element galvanic implica o oxidare la polul negativ (pierdere de electroni) si o
reducere la cel pozitiv (castig de electroni) si, ca in toate elemenele galvanice, pilele de
combustie tind sa separe cele doua reactii partiale in sensul ca electronii schimbati trec
printr-un circuit de utilizare cxterioara.
Pentru a asigura desfasurarea acestui proces, este indispensabila realizarea
unui element continand un anod, un catod si un electrolit care poate fi alimentat direct cu
un combustibil, si cu aer (fig. 2). Oxigenul necesar arderii combustibilulul este ionizat la
catod; Ionii migreaza apoi in electrolit pentru a ajunge la anod unde se produce oxidarea
cornbustibilului.
Pila de combustie - Notiuni elementare
Ce este pila de combustie?
Pila de combustie este o celula galvanica in care energia libera a unei reactii
chimice este transformata in energie electrica. In cazul unei pile de combustie clasice,
care functioneaza cu hidrogen si oxigen, reactia care are loc este:
Principiul de functionare al unei astfel de pile de combustie este redat in figura 1.
Figura 1 - Schema de functionare a unei pile de combustie
1. Hidrogenul este adus la anod.
2. Oxigenul este adus la catod.
3. Hidrogenul este descompus in ioni de hidrogen (H+) si electroni (e-).
4. Electronii sunt transportati la catod prin electrolit, creand un curent electric.
5. Moleculele de oxigen sunt descompuse in ioni de oxigen (O2-) atunci cand ajung in
contact cu electronii liberi.
6. Ionii de hidrogen sunt transportati prin electrolit si se combina cu ionii de oxigen
pentru a genera apa (H2O).
Avantajele FC
Emisii zero si nivel de zgomot zero
- FC sunt numite tehnologie de tip “emisie zero”. Acesta este unul dintre motivele pentru
care FC sunt atractive. Pot fi utilizate in orice locatie, chiar si acolo unde productia
normala de energie nu este posibila datorita restrictiilor asupra emisie de poluanti si
zgomotului.
Toate pilele de combustie au o structura asemanatoare: acestea contin doi
electrozi separati de un electrolit si care sunt conectati intr-un circuit extern. Anodul este
alimentat cu combustibili gazosi, aici avand loc oxidarea lor directa iar catodul este
alimentat cu un oxidant (de exemplu oxigenul din aer). Electrozii trebuie sa fie
permeabili, asadar au o structura poroasa. Electrolitul trebuie sa aiba o permeabilitate cat
mai scazuta. Pentru a putea compara pila de combustie cu alte sisteme de
producere a energiei, ca de exemplu motorul cu ardere interna, este necesara o evaluare a
randamentului sistemului. Pentru motorul cu ardere interna, randamentul maxim este
exprimat prin randamentul ciclului Carnot:
,
unde T1 si T2 sunt doua temperaturi absolute in functionarea motorului termic. Pentru pila
de combustie, randamentul maxim este exprimat prin variatia energiei libere Gibbs (ΔG)
si variatia entalpiei (ΔH) in reactia electrochimica:
.
Randamentul global de conversie electrica al unei pile de combustie este superior
celui al sistemelor cu motor termic. O comparatie a randamentelor globale de conversie
electrica este redata in figura 2.
Figura 2 - Comparatie intre randamentul de conversie electrica al pilelor de combustie si
al altor sisteme de conversie energetica
Tipuri de pile de combustie
Pilele de combustie sunt clasificate de obicei dupa tipul electrolitului folosit. O
exceptie este DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) care este o pila de combustie in care
metanolul este introdus direct in anod. Electrolitul acestei pile de combustie nu determina
clasa din care face parte aceasta. O alta clasificare poate fi facuta in functie de
temperatura de functionare. Exista astfel pile de combustie de joasa temperatura si de
inalta temperatura. Pilele de combustie de joasa temperatura sunt AFC (Alkaline Fuel
Cell), PEMFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) si
PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). Pilele de combustie de inalta temperatura
functioneaza la 600-1000°C. Aceste sunt de doua tipuri: MCFC (Molten Carbnate Fuel
Cell) si SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). O scurta descriere a tuturor tipurilor de pile de
combustie este data in tabelul 1.
Tabelul 1 - Diferite tipuri de pile de combustie
AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC
Temperatura
de
functionare
(°C)
<100 60-120 60-120 160-220 600-800 800-1000
Reactii la
anod
Reactii la
catod
Aplicatii
Transport
Programul spatial
Domeniul militar
Sisteme de stocare a energiei
Producerea de
energie
electrica si
caldura in
sisteme
energetice
stationare
decentralizate
Producerea de energie
electrica si caldura in
sisteme energetice
stationare
decentralizate si
transport (trenuri,
nave,...)
Putere
realizata
Instalatii mici
5-150kW
Constructie
modulara
Instalatii
mici 5-
250kW
Constructie
modulara
Instalatii
mici 5kW
Instalatii
mici-mijlocii
50kW-11MW
Instalatii mici
100kW-
2MW
Instalatii
mici 100-
250kW
Purtatorul de
sarcina in
electrolit
Pila de combustie cu membrana schimbatoare de protoni
Cu aproximativ 30 de ani in urma, Dupont a realizat un copolimer de acid
perfluorosulfonic si PTFE in forma acida, cunoscut sub numele de Nafion.
Membranele Nafion® ale firmei DuPont sunt filme bazate pe polimerul Nafion®
PFSA. Membranele Nafion® PFSA au o utilizare larga in pilele de combustie cu
membrana cu schimb de protoni (PEM). Membrana functioneaza ca un separator si un
electrolit solid intr-o varietate de celule electrochimice care necesita transportul selectiv
de cationi prin jonctiunea celulei. Polimerul este rezistent din punct de vedere chimic si
durabil.
Folosirea unui polimer solid elimina necesitatea unui compartiment etans pentru
electrolitul lichid precum si coroziunea si problemele de siguranta legate de acesta
(Fig.3).
Figura 3 - O varianta avansata a unui ansamblu de celula PEM cu catalizator depus
Catalizatorul, de obicei platina, este depus sub forma de nano clusteri (3 - 5nm) pe
un suport de grafit - particule de grafit de 0,7 - 1 μm si incastrate cu o parte intr-o folie de
hartie grafitata. Doua folii sunt aplicate pe ambele parti ale membranei formand straturile
de catalizator pentru anod si catod. Acest ansamblu PEM este cunoscut sub numele de
membrana cu catalizator depus (CCM).
Hartia grafitata poate fi eliminata complet daca se depune un strat mai gros de
catalizator (5μm) care sa formeze un strat conducator electric pe membrana, cu o scadere
a performantei catalizatorului de platina.
In figura 4 este prezentat un model de Ansamblu Membrana - Electrod (MEA),
folosind CCM. Alimentarea cu gaz si colectarea electronilor se face printr-o placa
profilata conductoare de gaz care formeaza limita exterioara a unei celule.
Figura 4 - Modelul stratului electrocatalitic al CCM
Gazul este introdus lateral prin marginile electrodului spre interiorul acestuia, in
timp ce electronii sunt transportati de placa electroconductoare spre celula urmatoare. La
densitati mai mari de putere este introdusa intre fiecare doua celule adiacente o placa
electroconductoare suplimentara cu un sistem de canale pentru apa de racire.
Membrana cu schimb de protoni pe baza de Nafion functioneaza de obicei sub 70-
85°C. Temperatura scazuta de functionare asigura o pornire rapida si nu necesita o
izolatie termica pentru protectia personalului. Aproximativ 50% din puterea maxima este
disponibila imediat la temperatura camerei. Puterea totala este atinsa in aproximativ 3
minute in conditii normale. Recentele descoperiri in domeniul designului si performantei
ofera posibilitatea scaderii costului pilelor PEM sub costul oricarei alte pile de combustie.
Pilele de combustie alkaline saturate
Pila alcalina este una dintre cele mai dezvoltate tehnologii si este folosita din anii
1960 de catre NASA in programele “Apollo” si “Space Shuttle”. Pilele de la bordul
acestor nave spatiale furnizeaza putere electrica pentru sitemul de bord, la fel de bine ca
si apa de baut. AFC sunt printre cele mai eficiente in generarea energiei aproape 70%.
Pilele alkaline utilizeaza un electrolit care
este o solutie apoasa (bazata pe apa) de hidroxid de
potasiu (KOH) retinuta intr-o matrice poroasa
stabilizata. Concentratia KOH poate varia cu
temperature pilei, care poate avea valori de la 650 C
pana la 2200 C. Ionul hidroxil (OH-) migreaza de la
catod la anod unde reactioneaza cu hydrogen si
produce apa si electroni. Apa formata la anod
migreaza inapoi la catod pentru a genera ioni
hidroxil. Deci, reactiile chimice care au loc la anod
si catod intr-o pila alcalina sunt urmatoarele:
Anode Reaction: 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4 e-
Cathode Reaction: O2 + 2 H2O + 4 e- => 4 OH-
Overall Net Reaction: 2 H2 + O2 => 2 H2O
Acest set de reactii produc electricitate si caldura intr-o pila.
Una dintre caracteristicile pilelor alkaline este aceea ca sunt sensibile la CO2 care
poate fi present in pila sau in aer. CO2 reactioneaza cu electrolitul, otravindu-l rapid, si
degradand sever performanta pilei. Deci, pilele alkaline sunt limitate numai pentru medii
inchise, precum submarinele si aeronavele, si trebuie utilizat hydrogen si oxygen pur.
Mai mult, molecule precum CO, H2O si CH4, care sunt inoffensive sau chiar
functioaneaza ca si combustibili pentru alte pile, sunt otravitoare pentru pilele alkaline.
Partea pozitiva este aceea ca pilele alkaline sunt cele mai usor de fabricat.
Pilele alkaline nu sunt folosite pentru automobile. Sensibilitatea lor la otravire, care
necesita folosirea hidrogenului si oxigenului pur, este un obstacol de netrecut pana in
present. Dimpotriva, pilele alkaline functioaneaza la temperature relative joase si sunt
cele mai eficiente pile.
Ilie-Dragomir Marius
414 F
Bibliografie :Pile de combustie, S Muscalu, V. Platon, Editura Tehnica, 1989