SURSELE ELECTROCHIMICE DE ENERGIE -pila de combustie-

Peste nouà ani, in 1868, Leclanché inventoaza pila zinc-piroluzitá care devine rapid una din cele mai populare surse electrochimice de energie.
Sursele eloctrochimice do energie se clasifica dupä tipul de reactie la electrozi, si anume:
daca reactia este ireversibilá, energia electrica producandu-se pe seama unor reactanti in cantitate limitata si nu se poate realiza regenerarea acestora prin electroliza, sursa se numeste pila primará;
dacä reactia este reversibilä, reactántii consumati in timpul producerii energiei electrice putindu-se regenera prin ectroliza, sursa se numeste pila secumdará au acumulator;
in cazul in care reactantii sunt transportati tot timpul la electrozi, iar produsii de reactie sunt eliminati simultan sursa devine o asa-numita pila cu combustibil (demumitá si pilá de combustie).



PRINCIPIILE DE FUNCTIONARE SI 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.
Modul de functionare a unei pile de combustie va fi explicat in coutinuare,avand drept exemplu cea mal simpta pila care functioneaza cu hidrogen si oxigen.

PILA BE COMBUSTIE HIDROGEN - OXIGEN

Procesele 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 disoclat in ioni si electroni intr-un proces de oxidare. Dupa aceea, are loc migrarea electronilor de la anod si eliberarea gazulul ionic la suprafata anodului. In electrolit trebuie asigurat transportul ionilor AZ+ de la anod la catod, impotriva cimpului electric rezultat, pe seama cimpului imprimat elertrochimic. La catod, se intalnesc ionii (sositi prin electrolit), electronii (sositi prin circuitul exterior) si oxidantul B. Are loc reactia de reducere, rezultind produsul de reactie care trebuie eliminat. Pila de combustie se compune deci, din trei elemente: electrolitul, ebectrozii si reactantii (un combustibil si un oxidant).
O pila de combustie folosind drept combustibil hidrogenul, drept oxidant oxigenul, electrolit alcalin (hidroxid de potasiu) si electrozi care joacà si rolul do catalizatori (pentru electrodul de hidrogen platina neagra, paladiu, iridiu etc. iar pentru cel do oxigen nichel, aliaje Ni-Ag etc.) este prezentatä in fig. 3.2.
In timpul functionärii, electrozii nu suferä nici o modificare structurala, ei servind doar ca suport pentru reactic; la anod are loc oxidarea catalitica a hidrogenului atomic, iar la catod reducerea catalitica a oxigcnului atomic. Fenomenul de oxidare si reducere cataliticà are loc in regim trifazic (gaz-lichid-solid) la suprafata cataliztorului conform reactiei globa1e:
H2 + ½O2 (H2O


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 convertita direct in energie electrica, cu exceptia unui termen entropic.
Valoarea teoretica a randamentului izoterm (·iz) este superioara ciclului Carnout:
·iz = Wmax/"H = "G/"H = 1  T"S/"H (3.1)
unde W max este energia electrica maxima.


Randamentul izotermic al reactiilor care au loc in pilelel de combustie poate atinge si depasi, in mod teoretic, 80%. Randamentul electric (·el) al pilelor de combustie se obtine prin raportarea energiei electrice obtinute (W el) la entalpia de reactie
·el = Wel/ "H = Wel/Wmax = E/Emax ·iz (3.2)
unde E este tensiunea electromotoare in sarcina, iar Emax este cea corespunzatoare si tensiunile insituatia cand apa rezultata din reactie se prezinta sub forma lichida sau gazoasa.
Randamentul izoterm al pilelor de combustie depinde, asa cum se constata din relatia 3.1, de marimea entropiei de rcactie care, atunci cand este pozitiva implicà randamente mai mari decat unitatea, deoarece se preia o parte din caldura mediului. Acest fenomon se intalneste in situatii experimentale si nu prezinta interes practic. Se pot constata, la restul reacitiilor, randamente teoretice foarte mari care depasesc cu mult randarmentul teoretic at ciclulul Carnot de 30-50%.
Totusi, in mod practic, datorita polarizarii interne a pilei, caderilor de tensiune etc. se obtin randamente de 50-60% care sunt destul de mari, fata de alte procedee practice d conversie.

APLICATI SPATIALE

Deceniul sapte al veaculul nostru este deceniul in care s-a inregistrat validarea utilizàrii 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 indep1ineasc anumite conditii cum ar fi:
fiabilitate si mentenanta foarte ridicatá, posibi1itatile de reparare fiind foarte limitate;
energii si puteri specifice mari, fiind cunoscut faptul ca lansarea in spatiul cosmic a unei muse de un kilogram costa de la cateva mii la zece mii de dolari (in anul 1989);
rezistentà mare la cnnditiile 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.