Propulsia cu hidrogen - pilă de combustie

Notiuni elementare

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:

Functionarea pilelor de combustie

In principiu, pilele de combustie sunt dispozitive electrochimice ce produc energie electrica pe baza reactiilor de oxidare si reducere a celor doi reactanti care se aplica in flux continuu la electrozi. Functionarea este similara cu cea a bateriilor, cu mentiunea ca aici avem in plus un flux al reactantilor care intra in interiorul dispozitivului si unul al produsilor de reactie care sunt eliminati permanent. In general, se poate spune ca o pila de combustie este un dispozitiv ce realizeaza reactia inversa electrolizei.

Figura 1 - Schema de functionare a unei pile de combustie

Toate pilele de combustie au o structura asemanatoare: acestea contin doi electrozi separati de un electrolit si conectati intr-un circuit extern.

Anodul este alimentat cu combustibili lichizi sau gazosi, aici avand loc oxidarea lor directa, iar catodul este alimentat cu un oxidant (de regula, oxigenul din aer). Electrozii sunt permeabili si au o structura poroasa, pentru a permite trecerea moleculelor substantelor implicate in reactie. La o anumita temperatura, la electrozi, exista un echilibru intre molecule si ioni. Acoperirea electrozilor cu catalizatori (metale nobile) favorizeaza ionizarea, scazand energia de activare ce permite ruperea moleculelor.

Electrolitul trebuie sa aiba o permeabilitate cat mai scazuta la moleculele reactantilor. El separa fizic cei doi reactanti, permite conductia ionica si nu permite conductia electronica. Astfel, electronii circula prin circuitul extern pentru a face posibila reactia chimica si alimenteaza astfel sarcina electrica.

In majoritatea pilelor de combustie, reactantii folositi sunt hidrogenul si oxigenul aflate in stare gazoasa.

Functionarea acestora este, in mare, urmatoarea:

- hidrogenul este aplicat la anod iar oxigenul la catod;

- fiecare reactant difureaza in electrodul corespunzator (realizat dintr-un material poros)

- reactantii se ionizeaza

- unul dintre ioni migreaza prin electrolit catre electrodul opus

- are loc recombinarea ionilor si rezulta apa ca unic produs de reactie

- pentru a compensa conductia ionica ce are loc numai prin electrolit, prin circuitul exterior are loc o conductie electronica ce reprezinta curentul electric util al pilei de combustie

- reactia de la electrodul unde are loc recombinarea este exoterma, caldura rezultata fiind un alt produs (secundar) de reactie

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.