Pilele de combustie si aplicatiile lor

Categoria părinte: Articole
04. 01. 01

Evaluare utilizator: 5 / 5

Steluță activăSteluță activăSteluță activăSteluță activăSteluță activă
 

Pile de combustieO directie alternativa de obtinere a energiei electrice o constituie conversia electrochimica, adica transformarea directa, nepoluantă si silentioasa, a energiei chimice continute intr-o mare varietate de substante, in energie electrică.
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.
Principiul ce sta la baza functionarii pilelor de combustie a fost descoperit in 1839 de fizicianul si judecatorul galez Sir William Grove, care a incercat sa inverseze procesul electrolizei. El a realizat astfel prima pila de combustie pe care a denumit-o „pila cu gaz” (“gas voltaic battery”).

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. Prima lor utilizare semnificativa a avut loc in anul 1960, cand au devenit sursele principale de energie electrica in cadrul misiunilor spatiale din programul Gemini. 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 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 practic 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.

Functionarea pilelor de combustie
In principiu, pilele de combustie sunt dispozitive electrochimice ce produc energie electrica pe baza reactiilor de oxidare si reducere a celor doi reactanti care se aplica in flux continuu la 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.

Schema de principiu generala a unei pile de combustieToate 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.

Electrolitul trebuie sa aiba o permeabilitate cat mai scazuta la moleculele reactantilor. El separa fizic cei doi reactanti, permite conductia ionica si nu permite conductia electronica. Astfel, electronii circula prin circuitul extern pentru a face posibila reactia chimica si alimenteaza astfel sarcina electrica.

In majoritatea pilelor de combustie, reactantii folositi sunt hidrogenul si oxigenul aflate in stare gazoasa.
Functionarea acestora este, in mare, urmatoarea:
- hidrogenul este aplicat la anod iar oxigenul la catod;
- fiecare reactant difureaza in electrodul corespunzator (realizat dintr-un material poros)
- reactantii se ionizeaza
- unul dintre ioni migreaza prin electrolit catre electrodul opus
- are loc recombinarea ionilor si rezulta apa ca unic produs de reactie
- pentru a compensa conductia ionica ce are loc numai prin electrolit, prin circuitul exterior are loc o conductie electronica ce reprezinta curentul electric util al pilei de combustie
- reactia de la electrodul unde are loc recombinarea este exoterma, caldura rezultata fiind un alt produs (secundar) de reactie

Randamentul pilelor de combustie
Reactia de baza intr-o pila de combustie este oxidarea unui combustibil, asa cum in pilele primare are loc, de regula, oxidarea unui metal. Randamentul pilelor de combustie este superior turbogeneratoarelor din centralele electrice actuale deoarece energia chimica este convertita direct in energie electrica si termica, cea din urma fiind, de regula, mai mica.

Randamentul izotermic al reactiilor care au loc in pilelel de combustie poate atinge si depasi, in mod teoretic, 80%. Acesta depaseste cu mult randarmentul teoretic at ciclulul Carnot, ce este de 30-50%.

In practica, datorita polarizarii interne a pilei, a pierderilor rezistive etc., se obtin randamente electrice mai mici, doar de 50 -70 %, dar suficient de mari comparativ cu alte metode de conversie electrica a energiei termice.

Energia termica rezultata poate fi folosita ca atare, sau transformata in energie electrica, folosind un sistem clasic, cu turbina. Un astfel de ansamblu pila de combustie + turbina + generator poate oferi randamente electrice totale apropiate de 80 %.

O comparatie a randamentelor obtinute prin diferite modalitati de conversie a energiei chimice in energie electrica, cu sau fara trecerea prin energia mecanica, este prezentata in figura de mai jos.

Comparatie a randamentelor obtinute prin diferite modalitati de conversie a energiei chimice in energie electrica

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

Acestea sunt clasificate de obicei dupa tipul electrolitului folosit. O exceptie este DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) in cazul careia, metanolul este introdus direct in anod. Electrolitul acestei pile de combustie nu-i determina clasa din care face parte. Multe dintre constrangerile cu care se confrunta proiectantii pilelor de combustie sunt datorate alegerii electrolitului. Proiectarea electrozilor, de exemplu si materialele utilizate la fabricarea lor depind de electrolit.

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) si oxizi solizi (SOFC - Solid Oxide Fuel Cell). Primele trei tipuri se inscriu in categoria electrolitilor lichizi in timp ce ultimele 2 sunt solide.

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 deasemenea temperatura de operare, astel 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. Aceste sunt de doua tipuri: MCFC si SOFC.

Pentru detalii cititi si articolul "Tipuri de pile de combustie".

Aplicatiile pilelor de combustie
Primele aplicatii ale pilelor de combustie au fost in domeniul spatial. 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 trebuiau sa indeplineasca anumite conditii cum ar fi:

· fiabilitate si mentenanta foarte ridicată, 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);

· rezistentă mare la cnnditiile speciale din spatiul cosmic, conditii legate de imponderabilitate, precum si la cele existente pe suprafetele extraterestre: fluctuatii mari de temperatură 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.  

Pentru capsula Gemini, s-a utilizat pila H2-O2 cu electrozi de titan acoperiti cu catalizator de platină, cu electrolit care consta dintr-o membrana de polistiren schimbatoare de ioni (acid polistrosulfonic drept cationit, respectiv răsini cu anioni de sulfonat, drept anionit). Hidrogenul si oxigenul au fost stocate la presiuni mari si temperaturi mici. Puterea totala obtinuta era de de 2 kW si se furnizeaza si 0,56 l de apa/kWh.

La capsulele Apollo s-a folosit pila H2-O2 alcalina (Bacon) presurizata, realizată de Pratt & Whitney.  Pila lucreaza la ternperatura do 250°C, are electrozi cu strat dublu poros (nichel pentru anod si nichel acoperit cu oxizi de Ni si Li pentru catod) si electrolit alcalin (KOH); atinge 300 mA/cm2 la U=0,9 V, la o concentratie de 90% a electrolitului. Alte pile de combustie folosite la misiunile Apollo au electrozii confectionati din platina spongioasa neagra, material cu o mare putere catalitica. Intr-un volum redus se pot realiza mari densitati de curent, iar greutatea totala a sistemului de propulsie - motor electric plus pila de combustie este de 39 kg fata de 96,450 kg in cazul sistemulul cu celule solare, si de 145 kg la sistemul cu motor cu gaze, cu ciclu diesel. Si programele spatiale Skylab si Apollo-Soiuz au beneficiat de serviciile pilelor de combustie H2-O2.

Larga utilizare a pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic este determinata de energia specifică mare a pilei H2-O2, rezultată din capacitatile electrochimice mari ale hidrogenului si oxigenului.

Pentru misiuni spatiale indelungate este preferabilă 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 sl 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.

 Dupa aplicatiile spatiale, au urmat aplicatiile industriale, cea mai renumita pila de combustie fiind in acest sens PC25 a firmei UTC (United Technology Corporation), ce furnizeaza 200 kW de energie electrica mono sau trifazata, cu un randament electric de 40% si unul termic de 50%. Aceasta instalatie se poate alimenta atat cu gaze naturale cat si cu biogaz si a fost instalata deja in peste 250 de locatii din intreaga lume.

Siemens si-a anuntat preocuparile pentru dezvoltarea acestui segment de aplicatii ale pilelor de combustie, orientandu-se in special catre realizarea unor echipamente combinate SOFC-turbina cu gaz. Aceste instalatii electroenergetice pot fi dezvoltate pentru aplicatii de diverse puteri, rezultatele cele mai bune fiind obtinute pentru puteri de iesire de peste 300 MW, unde s-au obtinut eficiente de peste 70%. Specialistii de la Siemens considera ca aceasta combinatie constituie una dintre solutiile foarte eficiente ale energeticii distribuite a viitorului.

Sistemele rezidentiale de alimentare cu electricitate si caldura pot fi si ele revolutionate de tehnologia pilelor de combustie. In plus, acestea pot furniza locuintelor energie electrica de foarte buna calitate la preturi comparabile cu cel e de productie dintr-o centrala termica sau nucleara.  Energia termica reziduala poate fi folosita direct pentru incalzirea cladirilor, fiind disponibila sub forma de aburi sau apa fierbinte. Extinderea utilizarii pilelor de combustie pe piata echipamentelor rezidentiale, poate determina construirea lor in serie mare, si implicit scaderea pretului acestor echipamente.
Firma germana MTU CFC a dezvoltat, înca din 1997, împreuna cu firma din SUA “Fuel Cell Energy”, o centrala medie “Hot Module” cu un volum de 9x2,5x3 m3 si o greutate de 15 tone care produce 225 kW electrici si 120 kW echivalenti termici (abur si apa calda).
Firma europeana Vaillant – lider în tehnica încalzirii – împreuna cu firma americana Plug Power (specializata în productia de pile de combustie) a obtinut înca din 2001 certificarea construirii de centrale de încalzire bazate pe pile de combustie. Minicentrala termica de dimensiunile unui frigider produce 4 kW electrici si 9 kW echivalenti de energie termica.

In domeniul aplicatiilor mobile, sunt de luat in seama  rezultatele firmelor General Motors, Daimler-Benz, Mercedes, Mitsubishi si Toyota  ce au au expus deja prototipuri de vehicule antrenate cu pile de combustie la expozitiile internationale de profil. General Motors, de exemplu, a anuntat deja trecerea la productia de serie a doua noi modele de automobile bazate pe motoare electrice si alimentate cu pile de combustie. Este vorba despre Chevrolet Sequel si Chevrolet Equinox, care, spune producatorul, vor arata ca automobilul poate iesi de sub vesnica povara a problemelor de mediu si isi va reduce dependenta fata de petrol. Pentru anul 2007 s-a anuntat deja scoaterea pe piata a unei flote de 100 de automobile Equinox, iar armata Statelor Unite si-a aratat deja interesul pentru ele, achizitionand primele exemplare.
In Europa, Mercedes a anuntat ca a cheltuit peste 20 milioane euro pentru filiera hidrogen, inregistrând nu mai putin de 200 de brevete pe aceasta tema.

O ideie ce prinde din ce in ce mai mult contur in ultima perioada este interconectarea automobilului in retea cu locuinta, sau chiar cu sistemul energetic de distributie a energiei electrice. Pornind de la constatarea ca un automobil dotat cu pile de combustie este parcat peste 90% din timp, s-a pus problema utilizarii energiei generate de “centrala mobila” a acestuia, cu o putere de 30- 40 kW, in scopuri casnice sau comerciale. Acestea ar acoperi rapid mai mult de jumatate din investitia initiala in achizitionarea autoturismului.

Pilele de combustie nu s-au lasat prea mult asteptata prezenta nici in domeniul dispozitivelor portabile. Companii de renume mondial, precum Toshiba, Samsung, MTI etc., si-au anuntat deja diferite rezultate in domeniul aplicatiilor portabile ale pilelor de combustie, pentru alimentarea telefoanelor mobile sau a laptop-urilor.
Toshiba a prezentat in acest an, la diferite targuri internationale un laptop alimentat cu metanol. Pila DMFC lansata de Toshiba este mult imbunatatita fata de cele anterioare, intrucat genereaza de cinci ori mai multa energie decat un acumulator normal litiu-ion. Metanolul ofera cea mai buna eficienta atunci cand este mixat cu apa intr-o proportie de trei pana la sase la suta concentratie de metanol. Din pacate, in conditiile folosirii unei asemenea concentratii, rezervorul ar avea dimensiuni prea mari pentru un echipament mobil. Pentru a rezolva aceasta problema, Toshiba a introdus metanol in concentratie mai mare, el fiind diluat cu apa produsa in timpul procesului de generare de electricitate. Astfel, metanolul poate fi stocat la o concentratie mult mai mare, iar dimensiunile rezervorului scad pana la o zecime din versiunea cu o concentratie intre 3-6 %.

Concluzii
Daca in deceniul sapte al secolului XX a avut loc validarea utilizării 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.


Bibliografie

1.  Pile de combustie, S Muscalu, V. Platon, Editura Tehnica, 1989

2. Romanian Alliance on Hydrogen and Fuel Cells Technology Website http://www.fuelcells.ro

3. B. Lin, CONCEPTUAL DESIGN AND MODELING OF A FUEL CELL SCOOTER FOR URBAN ASIA. Princeton University School of Engineering and Applied Sciences Department of Mechanical and Aerospace Engineering, 1999

4. Supramaniam Srinivasan, B. B. Davé, K. A. Murugesamoorthi, A. Parthasarathy, and A. J. Appleby “Overview of Fuel Cell Technology”. Chapter 2 in Fuel Cell Systems, Eds. Leo J. M. J. Blomen and Michael N. Mugerwa. (Plenum Press: 1993), p. 39

5. J. C. Amphlett, M. Farahani, R. F. Mann, B. A. Peppley, P. R. Roberge. “The operation of a solid polymer fuel cell: a parametric model” Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference 1991 (Boston) pp. 624-629

6. Frano Barbir. Energy Partners. “Operating Pressure and Efficiency of Automotive Fuel Cell Systems”

7. Embrecht Barendrecht, “Electrochemistry of Fuel Cells”, Chapter 3 in Fuel Cell Systems, Eds. Leo J. M. J. Blomen and Michael N. Mugerwa. (Plenum Press: 1993) p. 94

8. Rioji Anahara. “Phosphoric Acid Fuel Cell Systems”, Chapter 8 in Fuel Cell Systems, Eds. Leo J. M. J. Blomen and Michael N. Mugerwa. (Plenum Press: 1993) p. 306-307

9. Fritz R. Kalhammer, Paul R. Prokopius, Vernon P. Roan, Gerald E. Voecks. State of California Air Resources Board. Status and prospects of fuel cells as automobile engines: a report of the fuel cell technical advisory panel. July 1998. p. III-17

10.  Joan M. Ogden, Margaret Steinbugler, Thomas G. Kreutz. “Hydrogen as a fuel for fuel cell vehicles: a technical and economic comparison” Presentation at National Hydrogen Association 8th Annual Conference, Arlington, VA March 11-13, 1997

11. Franklin Lomax, Jr., Brian D. James, George N. Baum, C. E.. (Sandy) Thomas. Directed Technologies, Inc. “Detailed Manufacturing Cost Estimates for Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cells for Light Duty Vehicles”. Prepared for The Ford Motor Company under Prime Contract No. DE-AC02-94CE50389 to the U. S. Department of Energy, Office of Transportation Technologies. August 1998, p. 2-2

12. Ballard Power Systems. “Ballard Fuel Cell Stack: Mark 700 Series” product data sheet. August 1998.

13. Peter A. Lehman, Charles E. Chamberlin, Ronald M. Reid, Thomas G. Herron. “Proton Exchange Membrane Fuel Cell”. United States Patent number 5,879,826. March 9, 1999