Pile electrice

Pilele galvanice sunt sisteme care produc energie electrica din energie chimica.In cazul cel mai simplu ele sunt constituie dintr-un lant electrochimic format din doua metale reunite printr-un electrolit. In cazul general lantul lor electrochimic este format din mai multe faze conductoare in contact, din care cel putin una este un conductor ionic (solutie de electrolit), iar cele doua faze terminale sunt metale.

Zincul are tendinta de a trimite ioni in solutie, iar cuprul de a se depune. Ecuatiile care iau loc in semicelule sunt:

A (-) Zn Zn2+ ( +2e- ) (oxidare)

C(+) Cu2+ Cu (+ 2e- )(reducere)

Zn + Cu2+ Cu + Zn2+

In circuitul exterior curentul circula de la zinc la cupru deoarece zincul este electrodul negativ si cuprul cel pozitiv.

Fiecare celula galvanica sau pila poate fi reprezentata astfel:

Zn | Zn2+ | | Cu2+ | Cu,

unde prin linia simpla se marcheaza limita de separare lichid solid, iar prin linia dubla se noteaza puntea de sare.

Sursele electrochimice de curent se pot clasifica in:

- pile primare - energia electrica se produce pe seama unor reactanti ce se gasesc in pila in cantitate limitata, regenerarea lor prin electroliza neavand loc;

- pile secundare (acumulatoare) - in pilele secundare, partenerii de reactie, consumati in timpul producerii energiei electrice (descarcare) se pot reface cu ajutorul unui proces de electroliza (incarcare);

- pile de combustie - in pilele de combustie partenerii de reactie sunt alimentati continuu la electrozi, in tot timpul cat ele se afla sub sarcina; energia eliberata la combustie se transforma direct in energie electrica.

Pile electrochimice primare

Pila Leclanche este cea mai rspndit pil primar (uscat). Lanul electrochimic al pilei este:

() Zn NH4Cl MnO2 + C (+)

Anodul este confecionat dintr-un cilindru de zinc, iar catodul, din crbune nvelit ntr-un sac de panz, ori introdus ntr-un vas de porelan poros, n care se gsete amestec de MnO2

i negru de fum. Electrolitul este o soluie apoas de NH4Cl sau KOH, trecut sub form de past, cu amidon i fin de grau. Pentru a evita consumarea electrodului de zinc, n urma aciunii corozive a atmosferei, el se izoleaz cu un ambalaj de mas plastic. Reaciile care au loc n pil se prezint prin ecuaiile:

la catod (+) : 2MnO2 +2H2O + 2e- 2MnO(OH) + 2OH-

la anod (): Zn 2e- Zn2+

Zn2+ +2OH- Zn(OH)2

Reactia globala este:

Zn + 2MnO2 + 2H2O Zn(OH)2 + 2MnO(OH)

Pila are o f.e.m. de 1,5 - 1,6 V. Capacitatea ei este, pentru cele de buzunar, de 2A/h. Pila Leclanche prezint o mare importan economic care provine din simplitatea manipulrii i uurina transportului ei; volumul pilelor aflate n uz variaz ntre 0,1 cm3 i 1 m3 , ceea ce corespunde unor capaciti disponibile variind ntre ordinul mAh i 104 Ah i unor puteri cuprinse ntre civa W i civa MW.

Aria utilizrii lor este extins acoperind domenii extrem de diferite : alimentarea

bateriilor de buzunar, a aparatelor de radio i televizoarelor tranzistorizate, a

instalaiilor de semnalizare.

Pile electrochimice secundare (acumulatoare)

Pilele secundare (acumulatoarele) sunt acelea n care partenerii de reactive consumai n timpul producerii energiei electrice (descrcare) se pot reface cu ajutorul unui proces de electroliz, numit ncrcare.

n practic se utilizeaz frecvent, acumulatoarele, ntruct sunt capabile sa nmagazineze energie electric care apoi, poate fi utilizat n diferite situaii.

Acumulatorul cu plumb este o pila cu electrolit lichid realizat pentru prima oara, in anul 1859, de inginerul francez Gaston Plant.

Electrodul negativ este format dintr-un gratar de plumb cu ochiurile umplute cu plumb spongios, iar electrodul pozitiv este construit tot dintr-un gratar de plumb cu ochiurile umplute cu dioxid de plumb. Electrolitul este acid sulfuric de concentratie 38% (p = 1,29 g/cm 3 ) pentru acumulatorul incarcat.

In timpul functionarii acumulatorului, cnd acesta debiteaza curent electric, la cei doi electrozi au loc procesele care pot fi reprezentate prin ecuatiile:

la catod (+) : PbO2 + SO42- + 4H+ +2e- PbSO4 + 2H2O

la anod (): Pb + SO42- PbSO4 +2e-

Reactia globala este:

Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- 2PbSO4 + 2H2O

La ambii electrozi se formeaza PbSO4 insolubil, care adera la placi si se sulfateaza. Granulele fine de PbSO4 formate initial se maresc in timpul functionarii, astfel incat randamentul acumulatorului scade.

Se poate constata daca un acumulator este incarcat sau nu prin masurarea concentratiei acidului sulfuric, mai precis prin determinarea densitatii solutiei.

Acumulatoarele cu plumb dau o tensiune de 2,01 2,06 V, rmnnd la sarcina normal, aproape invariabil, n timpul funcionrii. Cand tensiunea scade (la 1,8 V) acumulatorul trebuie ncrcat, altfel se degradeaz.

Acumulatorul poate fi reincarcat prin conectarea acestuia la o sursa de curent continuu astfel inct curentul debitat de sursa sa aib sens opus celui debitat de acumulator; la electrozi se produc astfel reactiile inverse celor indicate.

Pile electrochimice de combustie

Pilele de combustie sunt generatoare electrochimice capabile s converteasc continuu energia chimic a unui combustibil n energie electric i termic n absena unei reacii de combustie direct. Conversia energiei chimice n energie electric se realizeaz pe baza unor reacii electrochimice de oxidare care au loc n prezena unui combustibil gazos la anod i de reducere n prezena unui oxidant (oxigenul pur sau diluat aer atmosferic) la catod .

Printre cei mai obinuii combustibili se menioneaz H2, CH3OH, N2H4 , hidrocarburi, CO i alii.

Avantajele utilizrii sistemelor energetice pe baz de pile de combustie sunt:

produc curent electric continuu la tensiuni sczute i intensiti medii;

nu produc poluarea mediului ambiant;

funcioneaz fr vibraii sau zgomote, neavnd elemente n micare etc.

Pila hidrogen-oxigen (H2-O2) este cea mai bine studiat i mai rspndit; a servit ca surs de energie electric i ap, pe capsulele trimise n cosmos n cadrul proiectelor Gemini i Apollo.

In aceasta pila are loc arderea hidrogenului in oxigen (sinteza controlata a apei) in urma careia se degaj caldura si se elibereaza energie electric.

Hidrogenul (combustibilul) si oxigenul (oxidantul) se introduc in doua compartimente diferite, separate de un electrolit. Gazele sunt trecute prin electrozi de carbune comprimat in care s-au incorporat catalizatorii.

Reaciile care au loc n pil sunt urmtoarele :

(+) : 2H2 4H+ +4e-

(): O2 + 4H+ + 4e- 2H2O

Pilele se folosesc asamblate n baterii. Pe nava cosmic Gemini s-a folosit o baterie ce putea asigura 9002000 W i furniza ap 0,56 //kWh de energie electric.

Aplicaii industriale ale pilelor de combustie

Pilele de combustie au fost dezvoltate i utilizate mult timp n programele spaiale ca surse de energie si ap potabil pentru astronaui. n ultimul deceniu aplicaiile pilelor de combustie s-au extins i la nivel terestru n domeniul propulsrii automobilelor i al producerii de energie electric n centrale staionare sau portabile.

Pilele de combustie ncep s devin o alternativ pentru consumul de energie electric din zonele rurale, zonele izolate, eliminnd reelele de distribuie clasice.

Un domeniu de utilizare promitor este realizarea autovehiculelor cu nivel de emisii zero. Folosirea pilelor de combustie alimentate cu combustibili (hidrogen, benzin sau metanol) pe infrastructura automobilelor clasice asigur un avantaj substantial fa de utilizarea bateriilor de acumulatori care necesit cteva ore pentru rencrcare. Rezervorul de hidrogen lichid sau gaz, sau de carburant (benzin sau metanol) asigur o autonomie de rulare de cca 500km.