Principiile de funcționare și tipologia pilelor de combustie

Ideea de a obtine energie electricä prin conversia directa a energiei chimice a apàrut atunci cind sa pus problema desfasurarii in sens invers a fenomenului de electroliza a apei (in urma càruia rezultà componentele aces teia), adicä de a obtine curent electric in urma reactiei dintre hidrogen si oxigen.

In anul 1801, Davy a realizat acest lucru utilizind carbonul drept combustibil si acidul nitric drept oxidant. Cercetarile au fost continuate de Ostwald Nerst, Haber s.a. deoarece conversia directà a energiei chimice in energie electrica evita veriga energie termica si, deci, randamentul de transformane nu aa depinde de limitele Carnot.

Pilele de combustie pot fi incadrate in sistemele energetice de tip “soft” datorita urmätoarelor caracteristici: - produc curent electic continuu la tensiuni scàzute si intensitati medii care poate fi folosit direct de catre utilizatorii finali. - nu produc poluarea mediului; - functioneaza linistit, farä vibratii sau zgomote, neavind elemente in miscare etc.

Principial, energia eliberata la oxidarea cornbustibililor conventionali, utilizata in general sub lorma de caldurà, poate fi covertita direct in energie electricà cu un randament excelent, intr-o pilà de combustie. Decarece in aproape toate reactiile de oxidare intervine un transfer de electroni intre combustibil si oxidant, este evident ca energia chimica de oxidare poate fi convertita direct in energie electrica. Se produce o reactie de oxido-reducere in care are loc oxidarea combustibilului si reducerea oxidantului cu o pierdere din partea unula si cu un castig de electroni pentru celalalt. Orice element galvanic implica o oxidare la polul negativ (pierdere de electroni) si o reducere la cel pozitiv (castig de electroni) si, ca in toate elemenele galvanice, pilele de combustie tind sa separe cele doua reactii partiale in sensul ca electronii schimbati trec printr-un circuit de utilizare cxterioara. Pentru a asigura desfasurarea acestui proces, este indispensabila realizarea unui element continand un anod, un catod si un electrolit care poate fi alimentat direct cu un combustibil, si cu aer (fig. 2). Oxigenul necesar arderii combustibilulul este ionizat la catod; Ionii migreaza apoi in electrolit pentru a ajunge la anod unde se produce oxidarea cornbustibilului.

Pila de combustie - Notiuni elementare

Ce este pila de combustie?

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:

Principiul de functionare al unei astfel de pile de combustie este redat in figura 1.

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 care sunt conectati intr-un circuit extern. Anodul este alimentat cu combustibili gazosi, aici avand loc oxidarea lor directa iar catodul este alimentat cu un oxidant (de exemplu oxigenul din aer). Electrozii trebuie sa fie permeabili, asadar au o structura poroasa. Electrolitul trebuie sa aiba o permeabilitate cat mai scazuta. Pentru a putea compara pila de combustie cu alte sisteme de producere a energiei, ca de exemplu motorul cu ardere interna, este necesara o evaluare a randamentului sistemului. Pentru motorul cu ardere interna, randamentul maxim este exprimat prin randamentul ciclului Carnot:

unde T1 si T2 sunt doua temperaturi absolute in functionarea motorului termic. Pentru pila de combustie, randamentul maxim este exprimat prin variatia energiei libere Gibbs (ΔG) si variatia entalpiei (ΔH) in reactia electrochimica:

Randamentul global de conversie electrica al unei pile de combustie este superior celui al sistemelor cu motor termic. O comparatie a randamentelor globale de conversie electrica este redata in figura 2.