Pila de combustie

Una dintre metodele alternative de obtinere a energiei eloctrice o constituie conversia electrochimica, adica transformarea directa, nepoluantà si silentioasa, a energiei chimice continute intr-o mare varietate de substante, in cea mai avantajoasa forrna de energie, energia electrica. Acest proces de conversie are loc in aparate si dispozitive numite generic Surse sau Pile Electrochimice de Energie Electrica(Pile de combustie. DEFINIŢIE O pilă de combustie este un element galvanic, similar cu o baterie, în care un proces electro-chimic creează curent electric şi căldură prin folosirea hidrogenului şi oxigenului. Numai apa este emisă ca rezultat al reacţiei. Tehnologia se bazează pe reacţia inversă electrolizei apei, adică combinarea hidrogenului cu oxigenul, din care se obţin curent electric şi căldură, apa fiind rezultatul chimic al reacţiei. Ideea de a obţine energie electrică prin conversia directă a energiei chimice a apărut atunci când s-a pus problema desfăşurării si în sens invers a fenomenului de electroliză a apei (în urma căruia rezultă componentele acesteia), adică de a obţine curent electric în urma reacţiei dintre hidrogen si oxigen. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL PILELOR DE COMBUSTIE Conversia electrochimică constă în transformarea directă în energie electrică a energiei chimice înmagazinată în diverse materiale active. Acest tip de conversie se numeşte directă datorită faptului că între forma iniţială şi cea finală de energie nu se interpune nici o altă formă intermediară. Conversia directă a energiei elimină „veriga” energiei termică sau mecanică realizând randamente superioare, care nu depind de randamentul limitat al maşinilor termice. Pentru a asigura desfăşurarea acestui proces, este indispensabilă realizarea unui element conţinând un anod, un catod şi un electrolit care poate fi alimentat direct cu un combustibil, şi cu aer. Oxigenul necesar arderii combustibilului este ionizat la catod; ionii migrează apoi în electrolit pentru a ajunge la anod unde se produce oxidarea combustibilului. Un combustibil A este transportat la anodul poros unde este adsorbit pe suprafaţa acestuia, apoi disociat în ioni şi electroni într-un proces de oxidare. După aceea, are loc migrarea electronilor de la anod şi eliberarea gazului ionic la suprafaţa anodului. In electrolit trebuie asigurat transportul ionilor A de la anod la catod, împotriva câmpului electric rezultat, pe seama campului imprimat electrochimic. La catod, se întâlnesc ionii (sosiţi prin electrolit), electronii (sosiţi prin circuitul exterior) şi oxidantul B. Are loc reacţia de reducere, rezultând produsul de reacţie care trebuie eliminat. Pila de combustie se compune deci, din trei elemente: electrolitul, electrozii şi reactanţii (un combustibil şi un oxidant). Principial, energia eliberată la oxidarea combustibililor convenţionali, utilizată în general sub formă de căldură, poate fi convertită direct în energie electrică cu un randament excelent, într-o pilă de combustie. Tipuri de pile de combustie şi soluţii constructive Clasificarea pilelor de combustie se poate face după mai multe criterii care ţin seama de anumite particularităţi comune (combustibilul folosit, tipul electrolitului, temperatura de funcţionare etc.). 1)După tipul combustibilului pilele se împart în: a)pile cu combustibili gazoşi; b)pile cu combustibili lichizi; c)pile cu combustibili solizi. 2)In funcţie de electrolitul folosit avem următoarea clasificare: a)pile cu electrolit lichid o - topitura de carbonaţi o - acid (soluţie apoasă) o - bazic (soluţie apoasă) b) pile cu electrolit solid o membrană din raşină o schimbătoare de ioni o cu structură cristalină Cel mai uzual mod de a clasifica pilele este acela care ţine seama de temperatura de funcţionare, astfel: o - pile de temperatură joasă (reci) care funcţionează între 20 – 80 °C; o - pile de temperatură medie (calde) care funcţioneaza între 200-300 °C; o - pile de temperatură înaltă (fierbinţi) care funcţionează între 400-800 °C şi în jur de 1000°C. Este evident că aceste structuri ordonatoare se suprapun parţial; de exemplu o pilă fierbinte are electrolitul solid sau în stare topită, iar combustibilul nu poate fi decât gazos sau solid care este adus în fază gazoasă. Un alt mod de a clasifica pilele este acela care are în vedere cum se consumă combustibilul: o directe (combustibilul se consumă în mod direct fără transformări intermediare); o indirecte (combustibilul suferă o serie de transformări înainte de a intra in pilă). AVANTAJELE PILELOR CU COMBUSTIE Pilele de combustie pot fi încadrate în sistemele energetice de tip ,,soft'' datorită următoarelor caracteristici: - produc curent electric continuu la tensiuni scăzute si intensităţi medii, care poate fi folosit direct de către utilizatorii finali; -furnizează energie electrică la bord, pentru alte aplicaţii; -au eficienţă dublă faţă de un motor cu combustie internă ; -nu produc poluarea mediului; -funcţionează liniştit, fără vibraţii sau zgomote, neavând elemente în mişcare; -au bilanţ ecologic general de excepţie, dacă se utilizează hidrogen obţinut din surse de energie regenerabilă. PREZENTUL Pilele de combustie au fost folosite extensiv pentru a genera electricitate în spaţiu, dar acum acestea sunt supuse atenţiei pentru folosirea în vehicule şi în generarea de electricitate. Dacă hidrogenul poate fi produs din surse regenelabile de energie şi problemele legate de depozitare şi transport sunt rezolvate, atunci pilele de combustie pot deveni un mod de a asigura energie şi mobilitate fără a crea gaze cu efect de seră. O dată cu creşterea preocupărilor pentru mediul înconjurător şi în paralel cu nevoia unei surse noi de c.c., sigure, cercetarea a fost reluată, susţinută de guvernul american, fiind propusă înlocuirea hidrogenului cu gazul natural, din care se poate extrage hidrogenul. Pila de combustie este, în concepţia actuală capabilă să livreze energie electrică şi apă caldă menajeră pentru o locuinţă, emiţând cu 50% mai puţine noxe decât motoarele cu ardere internă şi rivalizând numai cu combustibilul nuclear. Se preconizează că în următorii 10÷20 de ani, pila cu combustie va câştiga un segment din piaţa de echipamente pentru producerea energiei electrice. APLICATII SPATIALE Deceniul sapte al veaculul nostru este deceniul in care s-a inregistrat validarea utilizării pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic. Obiectivele avute in vedere in realizarea pilelor de combustie hidrogen-oxigen (H2-O2) utilizate la navele spatiale au fost acelea de a crea surse de energie usoare si independente, cu destinatii multiple: comanda si control, comunicatii, radar, luarea si transmiterea de imagini, alimentarea vehiculelor folosite la explotarea suprafetelor altor planete sau a satelitilor naturali. Aceste pile de combustie trebuie sa indeplineasc anumite conditii cum ar fi: - fiabilitate si mentenanta foarte ridicatá, posibilitatile de reparare fiind foarte limitate; - energii si puteri specifice mari, fiind cunoscut faptul ca lansarea in spatiul cosmic a unui kilogram costa de la cateva mii la zece mii de dolari (in anul 1989); - rezistentà mare la conditiile speciale din spatiul cosmic, conditii legate de imponderabilitate, precum si la cele existente pe suprafetele extraterestre: fluctuatii mari de temperaturä si presiune, meteoriti, radiatii, absenta atmosferei. Programele spatiale americane Gemini si Apollo au folosit sisteme de pile de combustie H2-O2 cu puterea de 2kW pentru alimentarea cu energie electrica a capsulelor spatiale. Totodata, s-a rezolvat si problema alimentarii cu apa a echipajului navelor in spatiul extraterestru. Si programele spatiale Skylab si Apollo-Soiuz au beneficiat de serviciile pilelor de combustie H2-O2. Pentru satelitii de mare altitudine sistemul de alimentare cu energie electrica care utilizeaza celulele solare nu functioneaza când satelitul parcurge portiunea din traiectoria sa care se afla in umbra si, de aceea, se pot utiliza cu succes si pilele de combustie. Larga utilizare a pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic este determinata de energia specifica mare a pilei H2-O2, rezultata din capacitatile electrochimice mari ale hidrogenului si oxigenului. Pentru misiuni spatiale indelungate este preferabila cuplarea pilelor de combustie cu instalatii de regenerare a combustibilului si oxidantului, cu ajutorul energiei solare sau nucleare. Cele mai avantajoase metode de regenerare sunt: electroliza si disocierea termica. Cercetarile si realizarile din domeniul pilelor de combustie pentru navele spatiale au avut si au in continuare un rol important la impulsionarea dezvoltarii acestor surse electrochimice de energie cu aplicatii si in alte domenii.