UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFACULTATEA ENERGETICA

MASTER SURSE REGENERABILE

PILE DE COMBUSTIE CU MEMBRANA SCHIMBATOARE DE PROTONI

GRUPA : MS9

CUPRINS

1 ISTORIA PILEI DE COMBUSTIE 3

2 FUNCTIONAREA PILELOR DE COMBUSTIE 5

3 EVOLUTIA SI CLASIFICAREA PILELOR DE COMBUSTIE 6

4 DESCRIEREA PEMFC 7

5 PRINCIPIU DE FUNCTIONARE AL PEMFC 13

6 CERCETARI IN DOMENIU 15

7 MODELAREA PEMFC 17

8 DOMENII DE APLICABILITATE ALE PEMFC 18

9 AVANTAJELE SI DEZAVANTAJELE PILELOR CU COMBUSTIE 20

10 CONCLUZII 21

BIBLIOGRAFIE 22

1. ISTORIA PILEI DE COMBUSTIE

2

Principiul ce sta la baza functionarii pilelor de combustie a fost descoperit in 1839 de fizicianul si judecatorul scotian Sir William Grove, care a incercat sa inverseze procesul electrolizei.

Experimentul a constat in aplicarea unei diferente de potential intre doi electrozi de platina, obtinandu-se hidrogen si oxigen, proces numit electroliza. Pila de combustie sau "bateria cu gaz", asa cum a fost numita prima data, este inversul acestui proces. In prezenta unor electrozi de platina, utilizati ca si catalizatori, electroliza va functiona in sens invers si se va produce curent electric ce va fi extras printr-un circuit extern conectat la doi electrozi.

El a realizat astfel prima pila de combustie pe care a denumit-o „pila cu gaz” (“gas voltaic battery”).

Bateria cu gaz a lui Sir William Groove, prima celulă de combustie

Desi au trecut peste 150 de ani de la prima atestare a principiului lor de functionare, pilele de combustie nu sunt inca accesibile publicului larg, datorita pretului ridicat pe care il presupunea constructia lor. Cercetari serioase pentru construirea unui generator electric practic au fost incepute dupa 1960, odata cu lansarea programul spatial american. Pilele de combustie au furnizat energie pentru modulele spatiale Gemini si Apollo, si continua sa furnizeze electricitate si apa pentru navetele spatiale actuale.

Incepand din acel moment si continuand cu misiunile spatiale ce au urmat, pilele de combustie au fost din ce in ce mai folosite si s-au dovedit mai sigure decat reactoarele nucleare si mai ieftine decat celulele solare.

Incepand din anii '90, a devenit evidenta importanta stiintifica si tehnica a pilelor de combustie si ele au patruns in prim planul tehnologiilor din domeniul energetic. Ca surse cu o mare densitate energetica, ele au devenit fezabile atat pentru aplicatii stationare, cat si pentru cele portabile.

De exemplu, firma ONSI Corporation din SUA, a introdus pe piata modelul stationar PC25 in 1992 si a vandut aproape 250 de exemplare pana in prezent. Acest model, nefiind dintre cele mai performante, functioneaza pe baza de gaze

3

naturale si ofera o eficienta electrica de 40% si o eficienta totala (electrica si termica) de 80%, in conditiile unor emisii poluante extrem de mici.

Intre timp, mai multe companii au lansat pe piata diferite tipuri de pile de combustie ce si-au demonstrat eficienta in diferite categorii de aplicatii. Avantajele lor, evidentiate teoretic si practice, ii fac pe unii specialisti sa considere ca ele reprezinta una dintre cele mai importante surse de energie ale viitorului. Principalele lor avantaje sunt: eficienta marita, poluare aproape nula, functionare silentioasa si fiabilitate mult mai mare decat a motoarelor cu ardere interna, datorata unui numar redus de componente mobile.

Spre deosebire de pilele primare, denumite uzual “baterii”, sau de acumulatori (pile secundare), pilele de combustie se caracterizeaza prin faptul ca  in cazul lor, reactantii sunt transportati tot timpul la electrozi, iar produsii de reactie sunt eliminati permanent.

O directie alternativa de obtinere a energiei electrice o constituie conversia electrochimica a hidrogenului si oxigenului, adica transformarea directa, nepoluantă si silentioasa, a energiei chimice continute intr-o mare varietate de substante, in energie electrica.

2. FUNCTIONAREA PILELOR DE COMBUSTIE

4

Pila de combustie este un dispozitiv electrochimic ce utilizeaza hidrogenul si oxigenul pentru producerea de energie electrica, caldura si apa, elementul de baza al acesteia reprezentandu-l electrolitul aflat intre cei doi 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.

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.

3. EVOLUTIA SI CLASIFICAREA PILELOR DE COMBUSTIE

5

In vederea obtinerii unei eficiente cat mai mari, oamenii de stiinta si inventatorii au proiectat multe tipuri si dimensiuni de pile de combustie cu specificatii tehnice diferite.

Astazi, principalele tipuri de electrolit sunt: - hidroxizi alcalini (AFC - Alkaline Fuel Cell)- carbonat topit (MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell)- acid fosforic (PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell)- membrana acida polimerizata cu schimb de protoni (PEMFC- Polymer

Electrolyte Fuel Cell)- oxizi solizi (SOFC - Solid Oxide Fuel Cell).

Primele trei tipuri se inscriu in categoria electrolitilor lichizi, in timp ce ultimele 2 sunt solide.

Acestea sunt clasificate de obicei dupa tipul electrolitului folosit, acesta fiind un polimer organic solid - acid poly-perflourosulfonic - ce are ca avantaj reducerea coroziunii.

Tipul de combustibil depinde de asemenea de electrolit. Anumite pile functioneaza cu hidrogen pur si in consecinta au nevoie de un dispozitiv suplimentar, numit “reformator” pentru a purifica hidrogenul.

Alte tipuri de pile pot tolera un anumit nivel de impuritati, dar au nevoie de temperaturi mai mari pentru a functiona eficient. Unele tipuri de pile au nevoie de circularea permanenta a electrolitului lichid prin folosirea unor pompe.

Tipul electrolitului determina, de asemenea, temperatura de operare, astfel ca 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, PEMFC, DMFC si PAFC.- pilele de combustie de inalta temperatura functioneaza la 600-1000°C. Acestea sunt de doua tipuri: MCFC si SOFC.

4. DESCRIEREA PEMFC

6

Ca majoritatea dispozitivelor electrochimice, o pila de combustie tip PEM este formata din 3 elemente de baza: un anod, unde combustibilul ce alimenteaza pila este oxidat, un catod, unde are loc reducerea moleculara a oxigenului, si un electrolit. Atat anodul, cat si catodul pilei de combustie sunt compuse dintr-o placa bipolara ce sustine canalele de curgere a gazului, un strat de difuzie a gazului si un strat de cataliza a gazului. Drept electrolit intr-un sistem bazat pe pile de combustie PEM este utilizata o membrana polimerica - de tip Nafion.

Pilele de combustie sunt mai eficiente din punct de vedere energetic fata de motoarele cu combustie, iar hidrogenul poate fi furnizat dintr-o varietate de surse. Daca este folosit hidrogenul pur pe post de combustibil, pilele de combustie emit doar caldura si apa, eliminand problemele privind poluarea aerului si efectul de sera.

Una din cele mai comune pile de combustie este pila de combustie cu membrana schimbatoare de protoni. Pila de combustie PEM consta intr-o membrana electrolitica introdusa intre un anod (electrodul negativ) si un catod (electrodul pozitiv).

Bateria de celule de combustiePEM este un compus subtire, organic, solid de consistenta ambalajelor de

plastic si de grosimea a 2-7 foi de hartie. Aceasta membrana functioneaza ca si un electrolit: o substanta care conduce ioni incarcati (in acest caz protoni), dar nu conduce electroni. Aceasta permite solutiei sa conduca electricitate. Membrana trebuie pastrata umeda pentru a permite trecerea particulelor prin ea.

Anodul este electrodul la care oxidarea (eliberarea de electroni) are loc. Intr-o celula de combustie, anodul este negativ din punct de vedere electric. Anodul este compus din particule de platina plasate pe particule de carbon. Platina

7

actioneaza ca si un catalizator, crescand intensitatea procesului de oxidare. Anodul este poros astfel incat hidrogenul sa poata trece prin el.

Catodul reprezinta electrodul la care reducerea (castigarea de electroni) are loc. Intr-o celula de combustie, catodul este pozitiv din punct de vedere electric. Catodul este format din particule de platina sustinute de particule de carbon in mod uniform. Platina se comportăa ca si un catalizator, crescand intensitatea reactiei de reducere. Catodul este poros permitand oxigenului sa treaca prin el.

Placile de curgere indeplinesc cateva functii importante: (1) canalizeaza hidrogenul si oxigenul la electrozi, (2) canalizeaza apa si caldura afara din celula de combustie si (3) conduc electronii de la anod in circuitul electric, si de la circuitul electric inapoi la catod.

Placile de curgere

Hidrogenul (H2) este condus spre anod, unde catalizatorul separa electronii de protoni. Membrana permite protonilor sa treaca catre catod, dar opreste electronii. Electronii trebuie sa inconjoare membrana prin circuitul extern. Curgerea electronilor da nastere curentului electric.

La catod, electronii incarcati negativ si ionii de hidrogen incarcati pozitiv (protoni) se combina cu oxigenul pentru a forma apa si degajand caldura.

Cantitatea de energie produsa de o pila de combustie depinde de mai multi factori, incluzand tipul pilei de combustie, marimea celulei, temperatura la care opereaza, si presiunea la care gazele sunt furnizate de celula. O singura pila de

8

combustie produce mai putin de 1.16 V - se pare suficient pentru o mica aplicatie.

Pentru a creste cantitatea de electricitate generata, celule de combustie individuale sunt combinate in serie, intr-o baterie de combustie. O baterie tipica din celule de combustie contine sute de celule de combustie.

Celula de combustie

PEMFC utilizeaza un electrolit polimerizat in forma unei membrane foarte subtiri si permeabile. Polimerul folosit contine de obicei un derivat organic al acidului perfluorosulfonic prins intr-un lant de politetrafluoretilen (PTFE sau teflon). Acest lant contine din loc in loc structuri chimice terminate cu gruparea SO3H. Hidrogenul acestei grupari se disociaza de molecula cand aceasta este umezita si apare in solutie ca proton.

Pe de alta parte, anionii SO3 - sunt mai degraba prinsi in molecula

polimerului decat liberi in solutie. Acesta este unul dintre avantajele principale ale acizilor polimerizati. Protonii liberi in solutie se pot astfel deplasa si mobilitatea lor sta la baza a ceea ce s-a numit “conductie protonica”. De aici vine si denumirea acestui tip de pila (PEM): de la expresia “proton exchange membrane” sau, de asemenea, de la “polymer electrolyte membrane”.

Membranele de polimer acid pot fi realizate in folii extrem de subtiri, sub 50 µm, facand posibila micsorarea dimensiunilor pilei si prin urmare, obtinerea unor densitati de putere crescute. Scaderea grosimii foliei de electrolit scade considerabil rezistenta interna a pilei si, prin urmare, scad si pierderile rezistive din interiorul ei.

Unul dintre polimerii cei mai folositi este deja renumitul “Nafion”. Acesta este un copolimer de acid perfluorosulfonic si PTFE in forma acida, realizat cu aproximativ 40 de ani in urma de firma Dupont.

Membranele Nafion PFSA au o utilizare larga in pilele de combustie cu membrana cu schimb de protoni (PEM). Membrana functioneaza ca un separator si un electrolit solid ce permite transportul selectiv de cationi prin jonctiunea pilei. Polimerul este rezistent din punct de vedere chimic si durabil.

9

Desi utilizarile initiale ale Nafionului au vizat realizarea de membrane separatoare in industria electrochimica, in special in domeniul separarii clorurilor alcaline, aplicatiile ulterioare au fost variate, dar cea mai importanta este la realizarea pilelor de combustie. 

Alaturat este reprezentata structura chimica a Nafionului, in care n si m, reprezinta frecventa radicalilor neutri si ai celor acizi in structura polimerului. Raportul n/m este marimea ce caracterizeaza aciditatea polimerului solid.

Acizii polimerizati din categoria Nafionului sunt cunoscuti in literatura de specialitate si ca “superacizi” datorita aciditatii lor foarte ridicate, mai mari decat a acidului sulfuric pur.

Folosirea unui polimer solid elimina necesitatea unui compartiment etans pentru electrolitul lichid precum si coroziunea si problemele de siguranta legate de acesta.

O varianta avansata a unui ansamblu de celula PEM cu catalizator depusCatalizatorul, de obicei platina, este depus sub forma de nano clusteri

(3-5 nm) pe un suport de grafit - particule de grafit de 0,7 - 1 μm si incastrate cu o parte intr-o folie de hartie grafitata. Doua folii sunt aplicate pe ambele parti ale membranei formand straturile de catalizator pentru anod si catod. Acest ansamblu PEM este cunoscut sub numele de membrana cu catalizator depus (CCM).

10

Hartia grafitata poate fi eliminata complet daca se depune un strat mai gros de catalizator (5μm) care sa formeze un strat conducator electric pe membrana, cu o scadere a performantei catalizatorului de platina.

Utilizarea catalizatorilor este foarte importanta, iar cantitatile utilizate sunt mai mari decat in cazul altor pile, datorita temperaturii joase de functionare (70-80°C). Temperatura nu poate fi crescuta peste 80°C, deoarece, la temperaturi mai mari exista riscul evaporarii apei din membrana, fenomen ce poate distruge pila.

Se foloseste de obicei platina, in cantitati de minim 0.4 mg/cm2, la fiecare electrod. Cantitatile ridicate cresc rezistenta pilei la “otravirea” cu monoxid de carbon, in cazul utilizarii unui hidrogen impur. Datorita temperaturii joase, la care catalizatorii sunt putin activi, o cantitate mai mare de catalizator este necesara la catod, datorita ionizarii mai dificile a oxigenului.

Pentru a impiedica otravirea anodului cu CO, o metoda este utilizarea unui aliaj catalitic Pt/Ru. Prezenta ruteniului modifica structura catalizatoruului si face absorbtia monoxidului de carbon in acesta mult mai dificila. Performantele acestor pile se reduc oricum simtitor daca se foloseste un hidrogen rezultat prin reformare, ce contine CO in concentratie mai mare de 50ppm.

Membrana cu schimb de protoni pe baza de Nafion functioneaza de obicei sub 70-85°C. Temperatura scazuta de functionare asigura o pornire rapida si nu necesita o izolatie termica pentru protectia personalului.

Conditiile moderate de functionare constituie un mare avantaj al acestor pile, comparativ cu alte modele ce necesita utilizarea acizilor foarte corozivi, a ceramicilor mentinute la temperaturi inalte sau a sarurilor topite.

Pe de alta parte, pilele cu schimb de protoni sunt in mod special vulnerabile la cresterea cantitatii de apa din membrana; aceasta poate apare datorita productiei constante de apa la catod si poate bloca difuzia reactantilor. De aceea, in constructia acestor pile, trebuie luate masuri suplimentare pentru evacuarea apei in exces.

Eficienta electrica este intre 40-50% si temperatura de operare - in jur de 80ºC. Pilele astfel realizate genereaza intre 50 si 200 KW. Electrolidul solid nu prezinta scurgeri sau crapaturi si temperatura de operare este suficient de mica pentru a putea fi folosite in casa sau in masina. Dar combustibilul trebuie sa fie purificat si folosesc deasemenea catalizatori de platina de ambele parti ale membranei care maresc costurile de productie.

Aproximativ 50% din puterea maxima este disponibila imediat la temperatura camerei. Puterea totala este atinsa in aproximativ 3 minute in conditii normale.

Recentele descoperiri in domeniul designului si performantei ofera posibilitatea scaderii considerabile a costului pilelor PEM. De asemenea, se setimeaza ca pretul membranelor de polimeri acizi va scadea cu un ordin de marime pe masura ce va creste productia lor.

11

In figura de mai jos, este prezentat un model de Ansamblu Membrana - Electrod (MEA), folosind CCM. Alimentarea cu gaz si colectarea electronilor se face printr-o placa profilata conductoare de gaz care formeaza limita exterioara a unei celule.

Modelul stratului electrocatalitic al CCM

Gazul este introdus lateral prin marginile electrodului spre interiorul acestuia, in timp ce electronii sunt transportati de placa electroconductoare spre celula urmatoare. La densitati mai mari de putere este introdusa intre fiecare doua celule adiacente o placa electroconductoare suplimentara cu un sistem de canale pentru apa de racire.

5. PRINCIPIU DE FUNCTIONARE AL PEMFC

Principiul de functionare al pilei de combustie cu membrana polimerica schimbatoare de protoni este relativ simplu:

12

- se alimenteaza cu hidrogen partea de anod a membranei si cu oxigen sau aer, partea de catod;- la anod, molecula de hidrogen se „sparge” in protoni si electroni.

Protonii migreaza prin membrana polimerica si ajung la partea catodica, iar electronii trec printr-un circuit exterior unde sunt „utilizati„ de un consumator, acest circuit electric inchizandu-se la catod, unde electronii se recombina cu protonii in prezenta oxigenului, formand apa.

Pila de tip PEM este formata dintr-o membrana polimerica solida, buna conducatoare de protoni, asezata intre doi electrozi pe care se afla depus stratul activ de catalizator, formand ansamblul membrana-electrod (MEA), placile bipolare pe suprafata carora se afla canalele de transport ale reactantilor (H2 sau metanol/O2 sau aer) fiind plasate de o parte si de alta a MEA. Electrozii sunt conectati la o sarcina exterioara care poate fi de exemplu, un motor al unui automobil.

Hidrogenul rezultat in urma procesarii gazului metan este oxidat la anod rezultand doi electroni si doi protoni, conform reactiei (1):

H2 → 2H+ + 2e- (1)

Protonii migreaza prin membrana, electronii fiind dirijati printr-un circuit exterior, producandu-se astfel un curent electric. Oxigenul sau aerul umidificat este redus la catod in prezenta protonilor si electronilor producandu-se apa la suprafata membranei conform reactiei (2):

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (2)

Reactia (1) este usor endotermica, iar reactia (2) este puternic exotermica, astfel incat, global este creata o cantitate de caldura. Conform reactiilor (1) si (2), reactia totala intr-o pila de combustie de tip PEMFC poate fi scrisa astfel (3):

2H2 + O2 → 2H2O (3)

Parametrii unei PEMFC

Tensiunea electromotoare:DG = DH – TDS = – 286000 J – (298 K) (–163.2 J/K) = – 237.200 J

13

DE = – DG / nF = – (– 237200 J / 2 * 96487 J/V) = 1.23 V

Randamentul, puterea si energia:η = Pel / Ptotal = Pel /(Q + Pel)=(2.5 kJ / min. ) / (1.7 kJ / min. + 2.5 kJ / min.)= 0.6

Viteze de generare a caldurii:Q = Ptotal – Pel = (Videal * Ipila) – (Vpila * Ipila) = (Videal – Vpila ) * Ipila = (1.16 V – 0.7 V) * 60 A = 0.46 V * 60 C / s * 60 s / min. = 1560 J / min.

Bilantul energetic:Energia chimica a combustibilului = Energia electrica + Energia calorica

6. CERCETARI IN DOMENIU

1. Sistem integrat de producere a energiei electrice pe baza de celule de combustibil de hidrogen cu membrana schimbatoare de protoni:

14

- in cadrul proiectului s-a obtinut o instalatie pilot de producere a hidrogenului prin reformarea catalitica a CH4 in curent de abur cu o putere de generare de 0,5 Nm3/h , capabil sa alimenteze un ansamblu de pile de combustie de max 2 kW.

2. Cercetari privind optimizarea geometrica si termodinamica a ansamblurilor de pile de combustie de tip PEM:- proiectarea si realizarea unui ansamblu de pile de combustie; determinari experimentale in vederea stabilirii performantelor functionale; elaborarea documentatiei tehnice de realizare a unui ansamblu de pile de forma cilindrica alimentate cu hidrogen si aer cu o putere electrica utila de 1KW.

3. Sistem integrat de conversie a energiei din surse regenerabile: - obiectivele principale urmaresc realizarea unui sistem integrat de conversie a energiei utilizand surse regenerabile si pile de combustie, elaborarea unei tehnologii competitive de producere a ansamblurilor de pile de combustie de mica putere (5 kW).

4. Dezvoltarea unui sistem de producere a hidrogenului, la costuri scazute, prin metoda electrolizei cu membrana schimbatoare de protoni: - obiectiv: dezvoltarea de solutii alternative de producere a hidrogenului -electroliza cu membrana polimerica schimbatoare de protoni. Implica dezvoltarea si realizarea a noi procese si materiale, dar si proiectarea unui nou tip de ansamblu de celule electrochimice care sa alcatuiasca un electrolizor de tip PEM capabil sa furnizeze hidrogen la un cost scazut si presiune ridicata.

5. Sistem inovativ de producere a energiei electrice utilizand pile de

combustie de tip PEM la temperaturi ridicate alimentate cu hidrogen produs prin reformarea acidului acetic:- obiective: dezvoltarea unui reformer catalitic cu membrana permselectiva utilizat la producerea hidrogenului din acid acetic; dezvoltarea unei tehnologii inovatoare

15

de realizare a pilelor de tip PEM (HT-PEM) care sa opereze in domeniul de temperaturi 120-200°C; integrarea pilei HT-PEM cu reformerul catalitic.

6. Dezvoltarea si implementarea de noi solutii in vederea imbunatatirii performantelor pilelor de combustie cu membrana schimbatoare de protoni:- obiectiv: obtinerea de materiale speciale (polimeri, catalizatori, materiale carbonice) si gasirea de solutii noi si inovatoare in vederea realizarii membranelor, electrozilor si placilor bipolare care constituie partile componente principale ale unei pile de combustie care sa lucreze la temperaturi mai mici de 100°C, dar in conditii de functionare variabile (presiune, temperatura, compozitie a gazelor reactante) si la opriri/porniri repetate.

7. Sistem de control multivariabil de tip robust pentru ansamblurile de pile de combustie de tip PEM. Stabilirea comportarii in regim de functionare tranzitoriu.- obiectiv: realizarea unui sistem de control multivariabil de tip robust pentru un ansamblu de pile de combustie PEM. Sistemul va fi utilizat atat pentru aplicatii mobile, cat si pentru aplicatii stationare intr-o gama de puteri de pana la 5 kW.

7. MODELAREA PEMFC

Modelarea matematica a diferitelor aspecte implicate de functionarea unei pile de combustie, de determinarea geometriei optime de curgere a fluidelor sau de integrarea pilelor de combustie in sisteme complexe de producere a energiei

16

electrice a constituit unul din domeniile pe care s-a pus accent in optimizarea acestor tehnologii, facilitand intelegerea modului in care parametrii modelului afecteaza performanta pilelor de combustie.

Un model detaliat pentru analiza dinamicii fluidelor trebuie sa cuprinda un set complet de ecuatii care sa descrie curgerea fluidelor in medii poroase, procesele complexe de difuzie a speciilor implicate in proces, curgerile multifazice si multicomponente, reactiile chimice si electrochimice ce au loc in stratul de cataliza al pilei de combustie, transportul protonilor prin membrana, potentialul electric si densitatea de curent, transferul de masa si de caldura, uzura materialelor , etc.

Ecuatiile curgerii fluidelor se obtin prin efectuarea bilanturilor generale sau diferentiale de masa, forte si energii. Principiul general de functionare al unei pile de combustie este de transport al amestecului de gaze si de transformare a speciilor implicate in reactiile electrochimice.

8. DOMENII DE APLICABILITATE ALE PEMFC

Pilele de combustie reprezinta o sursa de energie alternativa care pe viitor ar putea sa inlocuiasca o mare parte din sursele conventionale de energie care sunt folosite in prezent.

17

Sistemele cu pile de combustie sunt deja demonstrate ca reprezentand solutii de generare a energiei cu o eficienta ridicata. De asemenea, aceste pile au emisii poluante nule in cazul in care sunt alimentate direct cu hidrogen si aproape zero in cazul in care sunt cuplate cu un sistem de reformare in cadrul unui sistem integrat.

Aceste atribute le recomanda ca potential atractive pentru o varietate de aplicatii de la autovehiculele electrice si pana la generarea si cogenerarea caldurii si energiei electrice in cladiri.- aplicatiile stationare - celulele de combustie stationare pot fi utilizate ca dispozitiv de generare de rezerva, pentru a furniza putere electrica locatiilor izolate, generare distribuita pentru cladiri si cogenerare. Acestea isi concentreaza activitatea de cercetare pe dezvoltarea de pile de combustie si ansambluri de pile de combustie robuste, cu un pret redus, fiabile si cu o durata de viata care sa depaseasca 40.000 de ore in conditii de functionare in sisteme descentralizate de producere a energiei.

- aplicatii diverse - celulele de combustie pot fi utilizate pentru a alimenta o varietate de dispozitive portabile, de la electronice ca telefoane, aparate radio, la echipamente mai mari cum ar fi generatoarele portabile. Ele pot fi de asemenea utilizate pentru orice aplicatie care este alimentă de la baterii chimice, dar pot rezista de trei ori mai mult până să fie alimentate.

- aplicatii in transport – celulele de combustie pot fi folosite ca surse auxiliare de putere pentru propulsia autovehiculelor, camioanelor, trenurilor, vapoarelor sau submarinelor. Ele au fost utilizate timp de decenii pentru a furniza putere auxiliară

18

pentru stațiile spațiale. Acestea isi concentreaza activitatea de cercetare pe dezvoltarea de sisteme de pile de combustie cu membrane schimbatoare de protoni. Comparativ cu celelalte tipuri de pile, ele functioneaza la temperaturi joase (aprox. 80°C) ceea ce le confera avantajul unei inertii mici la intrarea in regimul de lucru. Utilizand o tehnologie interna speciala de reformare, pilele de combustie de tip PEM pot utiliza, virtual, orice tip de combustibil bogat in hidrogen incluzand metanolul, etanolul, gazele naturale si benzina.

Un autovehicul cu celule de combustie poate sau sa transporte propria

rezerva de hidrogen intr-un rezervor sub presiune, sau sa genereze hidrogenul pe masura necesarului, intr-un reactor chimic - reformator.

Motorul cu hidrogen este echipat cu baterii cu nichel-cadmiu care ofera cele mai bune performante in ceea ce priveste protectia mediului si capacitatea de stocare a energiei pe unitatea de volum. Bateria cu nichel-cadmiu este formata din trei celule separate bine protejate, iar vehiculul va putea sa continue sa functioneze daca una din cele trei celule se defecteaza.

9. AVANTAJELE SI DEZAVANTAJELE PILELOR CU COMBUSTIE

Avantajele utilizarii pilelor electrice cu combustie:- randament ridicat (70% ÷ 85%) chiar si la functionare sub o sarcina partiala

19

- nu exista piese in miscare (exceptie: ventilul pentru reglarea debitului de gaze)

- functionare silentioasa

- exista posibilitatea utilizarii caldurii reziduale

- poluare aproape nula

- fiabilitate mult mai mare decat a motoarelor cu ardere interna, datorata numarului redus de componente mobile

- in cursul functionarii se produce o emisie slaba de oxizi de azot (nocivi)

- comparativ cu celelalte tipuri de pile, ele functioneaza la temperaturi joase (aprox. 80°C) ceea ce le confera avantajul unei inertii mici la intrarea in regimul de lucru.

- utilizand o tehnologie interna speciala de reformare, pilele de combustie de tip PEM pot utiliza, virtual, orice tip de combustibil bogat in hidrogen incluzand metanolul, etanolul, gazele naturale si benzina.

Dezavantajele utilizarii pilelor electrice cu combustie:- pretul de cost este inca relativ ridicat

- instalatia este sensibila in cazul contactului celor doua gaze combustibile

- tensiunea electromotoare nu ramane constanta, ci scade in timpul functionarii

10. CONCLUZII

Principalul scop al folosirii energiilor regenerabile este acela de a reduce emisiile de gaze cu efect de sera.

20

Daca in deceniul sapte al secolului XX a avut loc validarea utilizarii pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic, in ultimii ani se constata o patrundere a acestor dispozitive si echipamente energetice in tot mai multe domenii ale activitatilor umane.

Dezvoltarea lor capata amploare de la an la an, atat datorita scaderii costurilor de productie, cat si descoperirilor ce se fac mereu in acest domeniu inca insuficient explorat.

Deja, in mai multe tari industrializate, pilele de combustie tind sa devina o tehnologie obisnuita in domeniul producerii industriale a energiei electrice si termice, prin constructia de centrale electrice si termice pe baza lor.

In domeniul generarii distribuite pentru uz local sau regional, perspectivele oferite de aceste tehnologii sunt deosebit de atractive, datorita randamentului crescut, mai ales daca se folosesc in instalatii cu cogenerare de caldura. In aceste conditii, randamentul poate trece de 80%.

Aplicatiile mobile si cele portabile lasa insa sa se intrevada cea mai mare dezvoltare a domeniului pilelor de combustie.

Tehnologii care vor da roade “in masa” peste cativa ani, cu care suntem contemporani si care ne vor influenţa existenta sunt in vizorul unor mari corporatii internationale. Bateriile continand pile de combustie miniaturale vor fi la indemana tuturor. Acestea ne vor face mai dependenti de tehnologie dar mai liberi sa ne miscasm, mai independenti energetic.

Inchipuiti-va o vacanta lunga departe de orice sursa de energie electrica, dar in care vom avea in permanenta curent suficient pentru walkman, laptop, celular, radio, televizor, stimulatoare etc., gratie a doar catorva litri de alcool, care am prefera sa fie din cel etilic pentru a ne alunga si tristetile de moment!

Dezvoltarea unei noi configuratii de pile de combustie tip PEM, optimizata din punct de vedere geometric si termodinamic, pentru diverse aplicatii (mobile, telecomunicatii, centrale de apartament, etc).

Membrana polimerica solida are rolul de a disocia, in prezenta celor doi electrozi, hidrogenul in ioni pozitivi (protonii) si negativi (electronii) si de a transporta protonii de la anod la catod.

Spre deosebire insa de baterii, care functioneaza pana la epuizarea electrolitului, pilele de combustie pot sa opereze in regim continuu, daca sunt alimentate cu hidrogen (PEM) sau metanol (DMFC).

BIBLIOGRAFIE

http://www.ecolife.ro/articole/tehnologie/tipuri-de-pile-de-combustie.html

http://www.ecolife.ro/articole/tehnologie/pilele-de-combustie-si-aplicatiile-lor.html

21

http://www.slideshare.net/jeufier/pem-fuel-cell?from=share_email

http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_pem.shtml

http://er.adrianmoisei.com/hardware/Pilele_de_combustie.html

http://www.icsi.ro/proiecte/ceex/189/romana/newsletter_icsi.pdf

http://search.conduit.com/ResultsExt.aspx?ctid=CT2189699&q=PILE+DE+COMBUSTIE

http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html

http://search.conduit.com/ResultsExt.aspx?ctid=CT2189699&q=pile+de+combustie

http://search.conduit.com/Results.aspx?q=pile+de+combustie+tip+PEM+FC&SearchSourceOrigin=2&gil=roRO&hl=ro&SelfSearch=1&ctid=CT2189699&octid=CT2189699

http://search.conduit.com/ResultsExt.aspx?ctid=CT2189699&q=FUEL+CELLS+PEMFC

http://www.icsi.ro/proiecte/ceex/189/romana/newsletter_icsi.pdf

http://www.fuelcells.ro/website/ro/resources/1/

http://er.adrianmoisei.com/hardware/Pilele_de_combustie.html

http://www.diasporastiintifica.ro/diaspora2008/docs/prezentari/WE13/Vasile_Stanciu_WE13.pdf

http://www.icsi.ro/proiecte/ceex602/scop.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell#Proton_exchange_membrane_fuel_cell_design_issues

http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_pem.shtml

http://www.fctec.com/fctec_types_pem.asp

http://www.fuelcelltoday.com/media/pdf/archive/Article_1084_PEM%20article.pdf

http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel cell2.htm

http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm

22