Pile de combustie

Pilele de combustie sunt generatoare electrochimice capabile sa converteasca continuu energia chimica a unui combustibil in energie electrica si termica in absenta unei reactii de combustie directa. Conversia energiei chimice in energie electrica se realizeaza pe baza unor reactii electrochimice de oxidare care au loc in prezenta unui combustibil gazos la anod si de reducere in prezenta unui oxidant (oxigenul din aer) la catod [151,152]. Uzual se utilizeaza drept combustibil hidrogenul, dar se mai pot folosii: gaze naturale, oxid de carbon si metanol.

Randamentul pilelor de combustie, teoretic apropiat de unitate, este de 2-3 ori mai mare decat cel corespunzator motoarelor termice clasice; mai mult, functionarea lor este silentioasa si foarte putin poluanta. Daca se foloseste hidrogenul drept combustibil, apa constituie singura emisie care rezulta la exploatarea pilei.

Desi prima pila de combustie a fost inventata in 1839 de W. R. Growe, evolutia acetor dispozitive a luat amploare in cursul anilor 60 ca urmare a dezvoltarii programelor spatiale si mai ales dupa 1980 cand s-au impus programe de realizare a tehnologiilor "curate" in fabricarea energiei sau utilizarea autovehiculelor.

Principiul de functionare

O pila de combustie consta dintr-un anod alimentat cu combustibil (H2) si un catod alimentat cu oxigen din aer, separati intre ei printr-un electrolit care permite transferul de ioni intre cei doi electrozi (fig. 6. 10). Electronii formati prin disocierea hidrogenului la anod se deplaseaza spre catod printr-un circuit extern pentru a participa la reducerea oxigenului cu formare de apa.

Figura 6. 10. Element de pila de combustie

Reactiile electrochimice care au loc sunt constituite din doua reactii distincte [152, ]:

a) Oxidarea hidrogenului la anod;

2H2(g) ?4 H+ + 4e- (6.4)

b) Reducerea oxigenului la catod

O2(g)+4H+ +4e- ?2H2O(l) (6.5)

Reactia globala care are loc in pila este:

2H2(g) + O2(g) ?H2O (l) (6.6)

La temperaturi mici reactiile mentionate sunt foarte lente, mai ales cea de reducere a oxigenului. Pentru intensificarea reactiilor, in componenta celor doi electrozi trebuie sa intre si un catalizator, uzual pe baza de platina. Teoretic, pila de combustie continua sa produca curent atat timp cat combustibilul si oxidantul alimenteaza cei doi electrozi. In realitate, degradarea elementelor pilei (electrolit, electrozi, catalizator si altele) limiteaza durata de functionare a pilei.

Spre exemplu, electrolitii de tip polimeri solizi sau solutii apoase pot fi utilizati numai pentru pile care functioneaza la temperaturi sub 200 ?C, deorece la temperaturi mai mari se degradeaza rapid. Electrozii sunt, de asemenea, supusi degradarii si otravirii. Degradarea anodului consta in reducerea sprafetei poroase si a gradului de dispersie a catalizatorului, asociate cu diminuarea gradului de ionizare a hidrogenului. Oxizii de carbon (CO si CO2) prezenti in combustibil sunt agenti otravitori pentru catalizatorul anodic, deoarece se adsorb competitiv cu H2 diminuand gradul de ionizare al acestuia.

Tipuri de pile de combustie

Electrolitul este elementul definitoriu care determina proprietatile principale, performantele si temperatura de operare a pilei de combustie.

In functie de tipul de electrolit se disting urmatoarele tipuri de pile de combustie [152,154]:

-Pile cu electrolit alcalin-AFC ( Alkaline Fuel Cells) ;

-Pile cu electrolit acid fosforic - PFAC (Phosphorus Acid Fuel Cells) ;

-Pile cu electrolit de tip polimeri solizi -PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) ;

-Pile cu electrolit carbonati topiti-MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) ;

-Pile cu electroliti oxizi solizi -SOFC (Solid Oxides Fuel Cells).

Caracteristicile celor 5 tipuri de pile sunt prezentate in tabelul 6. 3.

a) Pilele de combustie AFC. Utilizeaza ca electrolit KOH impregnat intr-o matrice de azbest sau oxizi metalici. Drept electrocatalizatori se folosesc Ni, Ag, oxizi metalici si metale nobile, spre deosebire de electrozii de platina folositi la majoritatea celorlalte tipuri de pile. Folosirea electrozilor nonplatinici este posibila datorita vitezei mari a reactiei de reducere a oxigenului in pilele cu electroliti alcalini fata de cele cu electroliti acizi. Prezenta CO2 in fluxul de combustibil diminueaza performatele pilelor alcaline deoarece formeaza cu electrolitul carbonati care blocheaza porii electrodului impiedicand deplasarea ionilor.

Tabelul 6. 3. Comparatie intre pilele de combustie[152]