Pilă de combustie

REZUMAT

O pilă de combustie este o pilă electrochimică care transformă energia chimică a unui combustibil (adesea hidrogen) și a unui agent de oxidare (adesea oxigen) în electricitate printr-o pereche de reacții redox. Pilele de combustie sunt diferite de majoritatea bateriilor, necesitând o sursă continuă de combustibil și oxigen (de obicei din aer) pentru a susține reacția chimică, în timp ce într-o baterie, energia chimică provine de obicei din metale și din ionii sau oxizii lor, care sunt de obicei deja prezenți în baterie, cu excepția bateriilor cu curgere. Pilele de combustie pot produce energie electrică continuu atât timp cât combustibilul si oxigenul sunt furnizate. [10]

Primele pile de combustie au fost inventate în 1839. De atunci, pilele de combustie au fost utilizate în multe alte aplicații. Pilele de combustie sunt utilizate pentru alimentarea primară și de rezervă pentru clădirile comerciale, industriale și rezidențiale și în zone îndepărtate sau inaccesibile. Acestea sunt, de asemenea, utilizate pentru alimentarea vehiculelor cu pile de combustie, inclusiv stivuitoare, automobile, autobuze, bărci, motociclete și submarine.

Există mai multe tipuri de pile de combustie, dar toate constau dintr-un anod, un catod și un electrolit care permite ionilor, adesea încărcați pozitiv cu ioni de hidrogen (protoni), să se deplaseze între cele două părți ale pilei de combustie. La anod, un catalizator face ca combustibilul să sufere reacții de oxidare care generează ioni (adesea ioni de hidrogen încărcați pozitiv) și electroni. Ionii se deplasează de la anod la catod prin electrolit. În același timp, electronii curg de la anod la catod printr-un circuit extern, producând direct curent electric. La catod, un alt catalizator determină ca ionii, electronii și oxigenul sa reacționeze, formând apă și, eventual, alte produse. Pilele de combustie se clasifică după tipul de electrolit pe care îl folosesc și prin diferența de timp de pornire de la 1 secundă la pilele de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (pile de combustie PEM sau PEMFC) la 10 minute pentru pilele de combustie cu oxizi solizi (SOFC). O tehnologie conexă este bateria cu curgere, în care combustibilul poate fi regenerat prin reîncărcare. Pilele de combustie individuale produc potențiale electrice relativ mici, circa 0,7 volți, așa că pilele sunt stivuite sau plasate în serie pentru a crea o tensiune suficientă pentru a satisface cerințele unei aplicații. Pe lângă electricitate, pilele de combustie produc apă, căldură și, în funcție de sursa de combustibil, cantități foarte mici de dioxid de azot și alte emisii. Eficiența energetică a unei pile de combustie este, în general, între 40-60%; cu toate acestea, dacă căldura reziduală este captată într-o schemă de cogenerare, pot fi obținute eficiențe de până la 85%. [8]

Pentru a concura cu motoarele cu ardere internă (MAI), sistemele de pile de combustie trebuie să funcționeze cel puțin la fel de bine ca și motorul convențional. Comportamentul tranzitoriu este o cerință esențială pentru succesul vehiculelor cu pile de combustie. Puterea sistemului cu pile de combustie este limitată doar de alimentarea aerului și a hidrogenului, de reglarea fluxului și a presiunii și de gestionarea căldurii și a apei. Deoarece curentul este extras instantaneu de la sursa de încărcare conectată la stiva pilei de combustie, se produce căldura și apa, în timp ce oxigenul este consumat complet. În timpul acestei perioade tranzitorii, sistemul de control al răcirii stivei pilei de combustie este necesar pentru a menține temperatura optimă, hidratarea membranei și presiunea parțială a reactanților de-a lungul membranei, dar și pentru a evita degradarea tensiunii stivei și, prin urmare, o reducere a randamentului pilei. Acești parametri critici ai pilei de combustie pot fi controlați pentru o gamă largă de curenți și, prin urmare, de putere, printr-o serie de actuatoare, cum ar fi supape, pompe, motoare compresoare, ventilatoare, umidificatoare și condensatoare.

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

1.1 Originile pilei de combustie

În ciuda configurației sale extrem de moderne, pila de combustie (PC) este cunoscută de peste 160 de ani. Deși a fost considerată o curiozitate în anii 1800, a devenit subiectul unor cercetări intense în timpul anilor 1900.

Figura 1.1 Wiliam Robert Grove (1811-1896)

Wiliam Robert Grove (1811-1896) a cunoscut succesul în anul 1838 prin descoperirea "celulei Grove" , cum a fost denumită ulterior. Aceasta era alcătuită dintr-un electrod de platină scufundat în acid nitric și un electrod de zinc scufundat în suflat de zinc, reușind să genereze 12A la 1,8V.

De-a lungul experimentelor sale, Grove a dovedit că este nevoie atât de hidrogen cât și de oxigen pentru a produce curent. Cu toate acestea, multe dintre întrebările sale au rămas fără răspuns deoarece nu dispunea de știința și echipamentele necesare.

Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932) a furnizat noțiunile teoretice pentru înțelegerea funcționării pilelor de combustie. În anul 1893 a determinat experimental legătura dintre părțile componente ale unei pile de combustie: electrozi, electroliți, oxidarea și reducerea agenților, anioni și cationi.

1.2 Definirea pilei de combustie

Pilele de combustie sunt generatoare electrochimice capabile să convertească continuu energia chimică a unui combustibil în energie electrică și termică în absența unei reacții de combustie directă. Conversia energiei chimice în energie electrică se realizează pe baza unor reacții electrochimice de oxidare care au loc în prezența unui combustibil gazos la anod și de reducere în prezența unui oxidant (oxigenul din aer) la catod. Uzual se utilizează drept combustibil hidrogenul, dar se mai pot folosi: gaze naturale, oxid de carbon și metanol.

Randamentul pilelor de combustie, teoretic apropiat de unitate, este de 2-3 ori mai mare decât cel corespunzător motoarelor termice clasice; mai mult, funcționarea lor este silențioasă și foarte puțin poluantă. Dacă se foloseste hidrogenul drept combustibil, apa constituie singura emisie care rezultă la exploatarea pilei.

Deși prima pilă de combustie a fost inventată în 1839 de W. R. Growe, evoluția acestor dispozitive a luat amploare în cursul anilor 60 ca urmare a dezvoltării programelor spațiale si mai ales după 1980 când s-au impus programe de realizare a tehnologiilor ―curate‖ în fabricarea energiei sau utilizarea autovehiculelor.

Pilele de combustie funcționează fără ardere, deci sunt practic nepoluante. Deoarece combustibilul este transformat direct în electricitate, pila de combustie lucrează cu randamente mult mai mari decât motoarele cu combustie internă.

Pila de combustie nu are părți în mișcare, deci este o sursă de energie silențioasă și fiabilă. Are un randament ridicat în producerea energiei electrice datorită unei conversii directe, fără procese intermediare în care să participe energia termică sau mecanică, existând posibilitatea utilizării căldurii reziduale.

Pe parcursul funcționării se produce o emisie slabă de oxizi de azot(nocivi).

Gazul natural este unul dintre numeroșii combustibili care pot fi utilizați într-o pilă de combustie.