...e pila primardac reactia este reversibil, reactntii consumati in timpul producerii energiei electrice putindu-se regenera prin ectroliza, sursa se numeste pila secumdar au acumulatorin 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 demumit si pil de combustie.PRINCIPIILE DE FUNCTIONARE SI TIPOLOGIAPILELOR DE COMBUSTIEIdeea de a obtine energie electric 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, adic 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 Ostald 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 urmtoarelor 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, far 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 - OXIGENProcesele 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 NiAg etc. este prezentat in fig. 3.2.In timpul functionrii, electrozii nu sufer 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 gazlichidsolid la suprafata cataliztorului conform reactiei globa1e H2 O2 H2O Randamentul Pilelor de CombustieReactia 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 aiz este superioara ciclului Carnoutaiz maxaH aGaH 1 TaSaH 3.1unde 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 ael al pilelor de combustie se obtine prin raportarea energiei electrice obtinute el la entalpia de reactie ael el aH elmax EEmax aiz 3.2unde 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 SPATIALEDeceniul 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 fifiabilitate si mentenanta foarte ridicat, posibi1itatile de reparare fiind foarte limitateenergii 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 1989rezistentà mare l...
Download