Celule de combustie

CELULE DE COMBUSTIE - reprezinta pile galvanice in care energia libera a unei reactii chimice este transformata in energie electrica. In principiu de functionare celula de combustie este dispozitiv electrochimic care produce energie electric a pe baza reactiilor de oxidare si de reducere a celor 2 reactanti ce se aplica in flux continuu la electrozi. Toate pilele de combustie contin 2 electrozi separati de un electrolit si care sunt conectati intr-un circuit extern. Anodul este alimentat cu combustibili gazosi; electrozii sunt permeabili si au o structura poroasa pentru a permite trecerea moleculelor subst inplicate in reactii. Acoperirea electrozilor cu catalizator favorizeaza ionizarea scazand valoarea energiei de activare care permite ruperea legaturilor. Electrolitul trebuie sa aiba o permeabilitate cat mai scazuta fata de moleculele reactantilor. El separa fizic cei 2 reactanti, permite conductia ionica, dar nu permite conductia electronica. In majoritatea pilelor de combustie reactantii folositi sunt H si O aflati in stare gazoasa.

Etapele de functionare pt acest tip de pila: Hidrogenul este aplicat la anod, iar O2 la catod; Fiecare reactant difuzeaza in electrodul corespunzator, fiind confectionat din material poros; Reactantii se ionizeaza ( O2- H+ ) ;Unul dintre ioni migreaza prin electrolit catre electrodul opus ; Are loc recombinarea ionilor si rezulta apa ca produs unic de reactiei ;Pentru a compensa conductia ionic ace are loc numai prin electrolit, prin circuitul exterior are loc o conductie electronica, care reprezinta de fapt curentul electric util al pilei de combustie.Reactia de la electrodul unde are loc recombinarea este exoterma, iar caldura rezultata este considerata ca produs secundar de reactie.

Modul de operare al celulei de combustie este urmatorul: consideram ca exista H2 la anod si O2 la catod , moleculele de H2 se descompun in cate 2 atomi si concomitent se elibereaza electroni. Ionii de H2 formati trec prin electrolit, care este permabil pt acestia, si ajung la catod, unde sunt oxidati de O2 si formeaza H2O. Pt a putea fi posibila formarea apei este necesar ca electronii donati la inceputul procesului sa fie prezenti in sistem. Electrolitul nu este permeabil pt electroni, iar daca cei 2 electrozi sunt legati printr-un conductor electric, electronii trec de la anod spre catod prin acel conductor generand un curent electric utilizabil. Acest proces se desfasoara continuu atata timp cat exista sufficient H2 si O2 la anod si respectiv catod. Majoritatea celulelor de combustie functioneaza pe baza O2 extras din aer si nu necesita prezenta O2 stocat. O celula de combustie genereaza un voltaj redus, motiv pt care este recomandat sa se lucreze cu mai multe celule , un ansamblu de celule de combustie formeaza pila de combustie.

CLASIFICAREA CELULELOR DE COMBUSTIE - pt clasificarea acestor celule se tine cont : 1.De tipul de electrolit 2.De tipul de combustibil utilizat. 1-Dupa tipul de elctrolit:- Hidroxizi alcalini ; -Carbonat topit ; -Acid fosforic ; -Membrana acida cu schimb de protoni ; -Oxizi solizi Primele 3 tipuri sunt electroliti lichizi , iar ultimele doua tipuri sunt solizi 2-Dupa tipul de combustibil - depinde de natura electrolitului. Anumite celule functioneaza cu H2 pur, motiv pt care au nevoie de un dispozitiv suplimentar numit reformator, cu rolul de a purifica H2. Alte tipuri de celule pot tolera un anumit nivel de impuritati, dar au nevoie de temp mai ridicate pt a functiona eficient. Unele tipuri de celule au nevoie de circularea permanenta a electrolitului lichid prin folosirea unor pompe. Pe de alta parte tipul electrolitului determina si temp de operare, motiv pt care exista celule care opereaza la temp ridicate ( se numesc celule de inalta temp) si celule care opereaza la temp scazuta ( se mai numesc celule de joasa temp).

Celulele de joasa temp sunt la randul lor :Celule de combustie alcalina ;-Celule de combustie cu acid fosforic ;Celule de combustie ce folosesc membrane cu schimb de protoni;-Celule de combustie cu CH3OH aplicat direct la anod Celulele de temp ridicata functioneaza in domeniul 600-10000C si sunt de 2 tipuri:-Celule cu carbonat topit ; Celule cu oxizi solizi.

CELULE DE COMBUSTIE ALCALINA (AFC) - functioneaza pe baza de H2 comprimat si O2. In general folosesc drept electrolit o solutie de hidroxid de potasiu.Celulele de combustie alcalina fac parte dintre cele mai eficiente celule (70% eficienta) si opereaza in domeniul 100-2000C. Aeste celule permit utilizarea unor catalizatori ieftini precum Ni, datorita faptului ca utilizarea electrolitului alcalin cu pH ridicat deplaseaza potentialul electrochimic ,reducand astfel potentialul de activitate Particularitatea acestei celule deriva din faptul ca conductia prin electrolit este in principal ionica dar bazata pe deplasarea gr hidroxilice OH si nu pe deplasarea protonilor. Electrolitul este fixat intr-o matrice de asbest sau poate fi utilizat si in stare lichida , caz in care este recirculat permanent prin intermediul unei pompe Una dintre deficientele acestei pile o reprezinta vulnerabilitatea ridicata la bioxidul de carbon din aer Bioxidul de carbon reactioneaza cu electrolitul formand un precipitat de carbonat de potasiu De aceia la exploatarea lor este necesara saracirea aerului in bioxid de carbon prin intermediul unor epuratoare speciale Se construiesc pt puteri cuprinse 300v - 350kv si au densitati energetic bune

CELULE DE COMBUSTIE CU ACID FOSFORIC - la acest tip de cellule electrolitul este acidul fosforic care este prins intr-o matrice ceramica inactiva chimic ( matricea este formata din carbura de siliciu )ceia ce asigura celulei stabilitate si rezistenta mecanica si mentine acidul in plica Temp se operare 150-2000C , iar la temp sub 1000C nu se recomanda utilizarea lor deoarece pot apare interactiuni intre ioni fosfat si electrodul de hydrogen ceia ce duce la scaderea capacitate Temp joasa de functionare impune utilizarea unor catalizatori foarte scumpi de tipul metalelor nobile care se aplica sub forma unor pelicule subtiri pe cei 2 electrozi Dezavantajul principal al acestui tip de pila il reprezinta densitatea energetica redusa chiar de 3 ori mai mica decat in cazul celorlalte celule de combustie Un alt dezavantaj il constituie necesitatea mentineri celulei la o temp de minim 450C , deoarece la aceasta valoare acidul fosforic ingheata

CELULE DE COMBUSTIE CE FOLOSESC MEMBRANA CU SCHIMB DE PROTONI - utilizeaza un electrolit polimerizat sub forma unei membrane foarte subtiri si permeabile Polimerul folosit contine un derivat organic al acidului perflorosulfonic prins intr-un lant de politetrafloretilen (teflonul ). Acest lant contine din loc in loc structuri chimice terminate cu gr SO3H Hidrogenul acestor gr disociaza de molecula in conditi de umiditate si se regaseste in solutie sub forma de proton Pe de alta parte anioni SO32- sunt prinsi in molecula polimerului si doar foarte putin raman liber in sol Protoni liberi din sol se pot deplasa astfel cu usurinta iar mobilitatea lor sta la baza asa numite CONDUCTI PROTONICE Membranele de polimer acid pot fi realizare sub forma de folii extreme de subtiri sub 50 micro-metri facand posibila micsorarea dimensiunilor celulei si obtinerea unor densitati de curent ridicate. Unul dintre cei mai utilizati polimeri se numeste NAFION si este un copolimer acid , derivat al acidului perflorsulfonic.