Pilă de combustie

Schema simplificată a unei pile de combustie pe bază de hidrogen

O pilă de combustie este o celulă electrochimică care convertește energia chimică a unui combustibil (adesea hidrogen) și un agent oxidant (adesea oxigen) în electricitate printr-o pereche de reacții redox.

Pilele de combustie sunt diferite de baterii prin necesitatea unei surse continue de combustibil și oxigen (de obicei luat din aer) pentru a susține reacția chimică, în timp ce într-o baterie energia chimică provine de obicei din metale și ionii lor sau oxizi care de obicei sunt prezente deja în baterie. Pilele de combustie pot produce electricitate continuu cât timp sunt alimentate cu combustibil și oxigen.

Primele pile de combustie au fost inventate de William Robert Grove în 1838. Prima utilizare comercială a pilelor de combustie a avut loc după invenția pilei de combustie alcalină hidrogen-oxigen de către Francis Thomas Bacon în 1932. Astfeld e pile au fost utilizate de NASA în programele sale spațiale de la mijlocul anilor 1960 pentru a genera energie pentru sateliți și capsule spațiale. De atunci pilele de combustie au fost utilizate în multe alte aplicații. Pilele de combustie sunt utilizate pentru obținerea energiei necesare sau de rezervă pentru clădiri comerciale, industriale și rezidențiale sau în zone îndepărtate sau inaccesibile. Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru alimentarea vehiculelor cu pile de combustie, inclusiv motostivuitoare, automobile, autobuze, bărci, motociclete și submarine.

Există multe tipuri de pile de combustie, dar toate constau dintr-un anod, un catod și un electrolit care permite ionilor, adesea ionilor de hidrogen încărcați pozitiv (protoni), să se deplaseze între cei doi electrozi ai pilei. La anod, un catalizator determină combustibilul să fie oxidat, generând ioni (adesea ioni de hidrogen încărcați pozitiv) și electroni. Ionii se deplasează de la anod la catod prin electrolit. În același timp, electronii parcurg un circuit extern de la anod la catod sub forma unui curent continuu. La catod, un alt catalizator face ca ionii, electronii și oxigenul să reacționeze, formând apă și posibil alte produse. Pilele de combustibil sunt clasificate în funcție de tipul de electrolit pe care îl folosesc și de diferența de timp de pornire variind de la 1 secundă pentru pilele de combustie cu membrană schimbătoare de protoni, până la 10 minute pentru pilele de combustie cu oxizi solizi. O celulă produce potențiale electrice relativ mici, de aproximativ 0,7 V. Pentru tensiuni mai mari, celulele sunt legate în serie. În plus față de electricitate, pilele de combustie produc apă, căldură și, în funcție de sursa de combustibil, cantități mici de dioxid de azot și alte emisii. Eficiența energetică a unei pile de combustie este în general între 40 și 60 %. Dacă și căldura este captată și utilizată într-o schemă de cogenerare, se pot obține randamente energetice de până la 85%.

Avantajele utilizării sistemelor energetice pe bază de pile de combustie sunt:

• produc curent electric continuu la tensiuni scăzute, dar intensități medii;
• nu produc poluarea mediului ambiant;
• funcționează fără vibrații sau zgomote, neavând elemente în mișcare.

Eficiența

Eficiența sau randamentul pilelor este superior turbogeneratoarelor prezente în centralele electrice. Se calculează folosind entalpia și entalpia liberă ale reacției de oxidare a hidrogenului: (ΔG = −237.13 kJ/mol ΔH = −285.84 kJ/mol).

Energia electrică maximă furnizată de o pilă e dată de entalpia liberă a reacției de oxidare sau altfel spus entalpia de reacție cu excepția termenului entropic.

Valoarea teoretică a randamentului izoterm este:

$\eta _{iz}={\frac {W_{max}}{\Delta H}}={\frac {\Delta G}{\Delta H}}=1-{\frac {T\Delta S}{\Delta H}}$

Poate depăși 80%.

Randamentul electric practic raportează energia electrică efectiv obținută W_el la entalpia de reacție electroactive din pilă sau altfel exprimat e raportul dintre W_el (sau tensiunea electrică în sarcină E) și energia electrică maximă W_max (sau tensiunea electromotoare E⁰ corespunzătoare energiei electrice maxime) ori randamentul izoterm:

$\eta _{el}={\frac {W_{el}}{\Delta H}}={\frac {W_{el}}{W_{max}}}\eta _{iz}={\frac {E}{E^{0}}}\eta _{iz}$

Funcționare (reacții de electrod)

Procesele cinetice ireversibile asociate unei pile de combustie constau într-o serie de reacții redox (de reducere/oxidare). În pilă, combustibilul A, de exemplu hidrogenul, este adsorbit pe suprafața anodului poros, unde este disociat în ioni și electroni într-un proces de oxidare. Ionii de combustibil migrează prin electrolit la anod la catod, unde se întâlnesc cu electronii (veniți prin circuitul electric exterior) și oxidantul B. Are loc reacția de reducere, rezultând un produs de reacție (apă, dacă combustibilul este hidrogenul).

În timpul funcționării, electrozii nu suferă nicio modificare structurală, ei servind doar ca suport pentru reacție. La anod are loc oxidarea catalitică a hidrogenului atomic, iar la catod reducerea catalitică a oxigenului atomic. Fenomenul de oxidare și reducere catalitică are loc în regim trifazic (gaz—lichid—solid) la suprafața catalizatorului conform reacției globale:

H₂ + 1/2 O₂ → H₂O

Vezi și

• Conversia electrochimică a energiei
• Electrometanogeneză
• Membrană proton-schimbătoare
• Pilă de combustie enzimatică
• Bioreactor electrochimic
• Pilă de combustie cu etanol
• Pilă Karpen

Bibliografie

• I. Ștefănescu ș.a. Pile de combustibil - între teorie și practică, Editura Conphys, Rm. Vâlcea, 2010
• Gabriel L. Pavel, Modelarea pilelor de combustie de tip PEMFC, 2009
• D. Constantinescu, D.I. Văireanu, Tehnologia proceselor electrochimice, Printech București, 2000
• S. Muscalu, V. Platon, Pile de combustie, Editura Tehnică, București 1989
• I. G. Murgulescu, O. M. Radovici Introducere în chimia fizică, vol IV, "Electrochimia" Editura Academiei, București, 1986, p. 54-55
• A. Rădoi, Electromobilul, Editura Tehnică, București, 1981
• L. Oniciu, Conversia electrochimică a energiei, Editura tehnică 1977
• L. Oniciu, Pile de combustie, Editura Dacia 1971

Legături externe

• http://www.iaeng.org/publication/WCE2011/WCE2011_pp103-108.pdf
• ICSI Energy CNHPC