INTRODUCERE

Asa cum s-a aratat,una din directiile alternative de obtinere a energiei elcetrice o cinstituie conversia electochimica,adica transformarea directa,nepoluanta si silentioasa,a energiei chimice continute intr-o mare varietate de substante,in cea mai avantajoasa forma de energie,energia electrica. Acest proces de conversie are loc in aparate si dispozitive numite generic surse sau pile electochimice de energie electrica. Sursele electrochimice de energie se clasifica dupa tipul de reactie la electrozi,si anume:

a)daca reactia este ireversibila, energia electrica producandu-se pe seama unor reactanti in cantitate limitata si nu se poate realiza regenerarea acestora prin electroliza,sursa se numeste pila primara;

b)daca reactia este reversibila,reactantii consumati in timpul priducerii energiei electrice putandu-se regenera prin electroliza,sursa se numeste pila secundara sau acumulator;

c)in cazul in care reactantii sunt transportati tot timpul la electrozii,iar produsi de reactie sunt eleminati simultan sursa devine o asa numita pila cu combustibil(denumita si pila de combustie).

Ideea de a obtine energie electrica prin conversia directa a energiei chimice a aparut atunci cand s-a pus problema desfasurarii si in sens invers a fenomenului de electroliza a apei (in urma caruia rezulta rezulta componentele acesteia),adica de a obtine curent electric in urna reactiei dintre hidrogen si oxigen.

PILELE DE COMBUSTIE

Pilele de combustie pot fi incadrate in sistemele energetice de tip “soft” datorita urmatoarele caracteristici:

-produc curent electric continuu la tensiuni scazute si intensitatii medii care poate fi folosit direct de catre utilizatorii finali;

-nu produc polauare mediului;

-functioneaza linistit,fara vibratii sau zgomote,neavand elemente in miscare etc.

http://www.google.ro/search?site=&source=hp&ei=9_2YVoKGEaX9yQPRw7WYDQ&q=majk+dashni+download&oq=&gs_l=mobile-gws-hp.1.1.41l3.0.0.0.52916.1.1.0.0.0.0.297.297.2-1.1.0....0...1c..64.mobile-gws-hp..0.1.297.3.lrX7Vezedqg#q=schema+de+functionare+a+unei+pile+de+combustie&imgrc=cuqCi9cKOOwehM%3A

PILA DE COMBUSTIE HIDROGEN-OXIGEN

Procesele de cinetice ireversibile asociate unei pile de combustie constau intr-o serie de reactii de oxido-reducere. Un combustibil A este transportat la anodul poros unde este adsorbit pe suprafata acestuia,apoi disociat in ioni si electroni intr-un proces de oxidare. Dupa aceea,are loc migrarea electronilor de la anod si eliberarea gazului ionic la suprafata anodului. In electrolit trebuie asigurat transportul ionilor Az+ de la anod la catod,impotriva campului electric rezultat,pe seama campului imprimat electrochimic. La catod,se intalnesc ionii(sotiti prin electrolit),electronii (sotiti prin circuitul exterior) si oxidatul B. Are loc reactia de reducere, rezultand produsul de reactie care trebuie eliminat. Pila de combustie se compune deci, din trei elemente: electrolitul,electrozii si reactantii (un combustibil si un oxidant). O pila de combustie folosind drept combustibil hidrogenul,drept oxidant oxigenul, electrolit alcalin (KOH) si electrozii care joaca si rolul de catalizatori (pentru electrodul de hidrogen platina neagra,paladiu,iridiu etc. iar pentru cel de oxigen nichel,aliajele Ni-Ag etc. In timpul functionarii,electroziinu sufera nici o modificare srructurala,ei servund doar ca suport pentru reactie;la anod are loc oxidarea catalitica a hidrogenului atomic,iar la catod reducerea catalitica a oxigenului atomic. Fenomenul de oxidare si reducere catalitica are loc in regim trifazic (gaz-lichid-solid) la suprafata catalizatorului condorm reactiei globale: H2+1/2O2-->H2O. In cazul electrolitului bazic (KOH),au lic reactiile:

-la catod oxigenul este adsorbit la suprafata electrodului unde reactioneaza cu apa,rezultand ionii hidroxil si perhidroxil,conform reactiei:

O2 ( adsorbit) +H2O + 2e- ->(HO2)- + (OH)-

Ionul perhidroxil eate nedorit deoarece reduce tensiunea pilei datorita fenomenului de polarizare si de aceea se cauta indepartarea lui prin folosirea de catalizatori adecvati.

Reactia ideala este:

O2 (adsorbit)+ H2O + 4e- --> 4H+

4H+ +4(OH)- --> 4H2O + 4e-

Adsorbtia hidrogenului pe suprafatq catalitica a anodului produce atomii activi de hidrogen conform reactiilor de mai sus. Functiunile catalitice ale elctrozilor sunt foarte importante si anume:

-electrodul de hidrogen (anodul) trebuie sa asigure: adsorbtia moleculei de hidrogen,activizarea ei,promovarea reactiei cu ionul hidroxil;

-electrodul de oxigen (catodul) trebuie sa permita:adsorbtia oxigenului molecular,promovarea reactiei cu apa.

RANDAMENTUL PILELOR DE COMBUSTIE

Reactia de baza intr-o pila de combustie este oxidarea unui combustibil,asa cum in pilele conventionale primare are loc oxidarea unui metal.Randamentul pilelor de combustie este superior turbogeneratoarelor din centralele electrice actuale deoarece entalpia de reactie este

converstita direct in energie electrica,cu exceptia unui termen entropic. Valoarea teoretica a randamentului izoterm este superioara ciclului Carnot:

(1)

(2)

(1): W max este energia electrica maxima

Randamentul izotermic al reactiilor care au loc in pilele de combustie poate atinge si depasi,in mod teorertic,80%. Randamentul electric al pilelor de combustie se obtine prin raportarea energiei electrice obtinute Wel la entalpia de reactie.

(2): E tensiunea electromotoare in sarcina,iar E max este cea corespunzatiare energiei electrice maxime. Randamentul izoterm al pilelor de combustie depinde asa cum se conatata din relatia (1),de marimea entropiei de reactie care,atunci cand este pozitiva,implica randamente mai maei decat unitatea ,deoarece se preia o parte din caldura mediului.

ELECTROZII PILELOR DE COMBUSTIE

Cele trei faze de reactie a gazului cu lichidul pe suprafata catalizatorului prezinta dificultati de tratare datotita zonei mici de reactie.

Avand pori de mici dimensiuni la suprafata de contact cu electrolitul si pori de mari dimensiuni pe cealalta parte, lichidul va patrunde doar pe o anumita portiune in electrod, aceasta depinzand de presiunea gazului si structura electrodului. In acest fel, se obtine o mare suprafata de reactie care depinde de uniformitatea distributiei porilor pe suprafata electrodului. Catalizatorul poate fi activat prin imersarea matricei poroase intr-o solutie catalitica, urmata de uscare si incalzire.

S-a constatat ca o patura inactiva de metal sinterizat cu pori foarte fini care acopera un strat catalitic cu pori mai mari poate sustine presiunea in exces a gazului, fara pierderi, pentru ca lichidul umple porii mici datorita tensiunii superficiale.

Justin a demostrat ca aceasta constructie, cunoscuta ca “electrod valva”, poate comprima si difuza hidrogenul cu mare eficienta. Cand “electrodul valva” este folisit pentru electroliza apei, gazul este eliberat in interiorul stratului catalitic, unde porii sunt mai mari, la presiuni de aproximativ 3,04*10^5 N/m^2.

Electrudul este realizat prin presarea si sintetizarea unui amestec fin de nichel si otel, nichel-aluminiu sau nichel-zinc.

Aluminiul si zincul sunt mai tarziu inlaturati printr-o reactie electrochimica, rezultand o structura poroasa care contine particule active de nichel. Acest tip de electrod denumit “dublu schelet” poate fi folosit pentru pile de combustie cu oxigen si carburant si pentru electroliza

apei. Dimensiunile medii ale porilor mari sunt de 1 - 10 microni si de 0,1 - 0,001 microni ale celor mici.

In concluzie, electrozii folisiti trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

-- stabilitatea structurala - necesara pentru crearea si mentinerea suprafetei gaz/electrolit si pentru realizarea circulatiei reactantilor;

-- buna cunductibilitate electronica astfel incat sa se asigure transferul electronilor spre si de la centralele de transfer de sarcina;

-- rezistenta la coroziunea provocata de electrolitii puternic discociati (acizi, baze). Ionizarea si trecerea in solutie a metalelor din care sunt confectionati electrozii este un proces de nedorit, deiarece duce la deteriorarea sa structurala si la reducerea activitatii sale catalitice;

--activitatea buna electrochimica necesara promovarii peocesului de electrod;

--contact de interfata maxim pentru a permite realizarea unor densitati de curent mari;

--rezistenta la tendinta de blocare a centrelor active cu produsi de coroziune.

TIPOLOGIA PILELOR DE COMBUSTIE

Clasificarea pilelor de combustie se poate face dupa mai multe criterii care tin seama de anumite particularitati comune (combustibilul folosit,tipul electrolitului,temperatura de functionare etc.) Dupa tipul combustibului pilele se impart in:

-pile cu combustibili gazosi;

-pile cu combustibili lichizi;

-pile cu combustibili solizi;

In functie de electrolitului folosit,avem urmatoarea clasificare:

-pile cu electrolit lichid:

•tipitura de carbonati

•acid(solutie apoasa)

•bazic(solutie apoasa)

-pile cu electrolit solid:

•membrana din rasina

•schimbatoare de ioni

•cu structura cristalina

Cel mai uzual mod de a clasifica pilele este acela care tine seama de temperatura de functionare,astfel:

-pile de temperatura joasa (reci) care functioneaza intre 20-80°C;

-pile de temperatura medie (calde) care functioneaza intre 200-300°C;

-pile de temperatura inalta (fierbinti)care functioneaza intre 400-800°C si in jur de 1000°C

Este evident ca aceste structuri ordonatoare se suprapun partial;de exemplu o pila fierbinte are electrolitul solid sau in stare topita,iar combustibilul nu poate fi decat gazos sau solid care este adus in faza gazoasa. Un alt mod de a clasifica pilele este acela care are in vedere cum se consuma combustibilul:

-directe (combustibilul se consuma in mod direct fara transformari intermediare);

-indirecte(combustibilul sufera o serie de transformari inainte de a intra in pila).

In continuare vom prezenta cateva familii mari de pile de combustie care si-au gasit aplicarea in practica si a caror dezvoltare are mari perspective.

PILE DIRECTE HIDROGEN-OXIGEN (H2-O2)

Acest tip de pila cinsuma in mod direct hidrogenul,putand functiona la diverse temperaturi,datorita reactivitatii ridicate a acestuia. Se pot folosi diversi electroliti, iar in loc de oxigen se poate folosi aerul.

In tabel sunt prezentate principalele tipuri de pile H2-O2.

Pile indirecte- utilizeaza combustibili care sufera transformari chimice sau fizice inainte de a intra in pila. De exemplu,carbunele reactioneaza cu aerul conform reactiilor:

1) C+CO2-->2CO

2)2CO+O2-->2CO2

Astfel,reactia de oxidare completa a carbonului pana la la dioxid de carbon este descompusa in doua trepte. Prima reactie are loc intr-un reactor de gazeificare,iar a doua are loc intr-o pila de combustie.

PILE BIOCHIMICE

Folosirea materiilor organice pentru a produce energie electrica poate avea multe aplicatii. Hidratii de carbon,lipidele si proteinele pot fi clasificati drept combustibili primari care pot fi hidrolizati de enzime hidrolitice. Moleculele rezultate contin glucoza,acizi grasi si aminoacizi care sunt mai activi decat combustibili primari. Prin oxidare partiala,se obtin alcooli, hidrogen,uree, amoniac etc. Aceste produse sunt electrochimic active si pot fi folosite la pilele de combustie. Conversie biologica poate avea loc in recepienti separati sau chiar la suprafata unui electrod. Oricum,reactia direct pe electrod nu este optima pentru ambele procese. De exemplu,hidrantii de carbon pot fi descompusi la simpli alcooli de o bacterie,iar mai departe alcooli pot fi folositi intr-o pila de combustie. Producerea directa a energiei electrice prin intermediul metanolului eate mult mai complicata si implica enzime produse de anumite bacterii. Metabolismul electrochimic trebuie sa se desfasoara la suprafata electrozilor,implicand procese complicate de oxido-reducere care nu sunt insa cunoscute de deplin. In concluzie , se poate afirma ca domeniul pilelor de combustie este extrem de variat in sensul existentei unei multitudini de tipuri de pile care pot acoperi cele mai diverse necesitati, incepand cu utilizari de mica amploare si ajungand pana la utilizari spatiale.