Pile de combustie

Recentele polite referitoare la independenta energetica si a schimbarilor climatice la nivel global incurajeaza dezvoltarea si utilizarea energiilor regenerabile, cum arfi bioenergiile. Biocarburantii in stari gazoase,lichide si solide au fost cercetati,produsi si folositi in mod continuu in ultimii 15 ani.Bioenergiile au fost utilizate din toate timpurile indiferiteactivitati,precum gatitul, incalzirea,dar si iluminatul. Energia stocata de catre plante in biomasa este de 3-4 ori mai marefata de cererea globala actual .Biocarburantii solizi includ si lemnele de foc,paletii de lemn si carbunii.

Consumul global de lemne si de carbuni a ramas la cote normale, in schimb consumul de paleti de lemn si aschii de lemn pentru generarea de electricitate (bioenergie)siincalzirirezidentiales-a dublat in ultimul deceniu si vaavea o crestere stabila in viitorul apropiat. Biocombustibilii lichizi cuprind exemple precum bioetanol, biodiesel,si piroliza bio-uleiurilor.

Productia comerciala de bioetanol din materiale lemnoase este intr-un stadiu de incipit, suplimentand productia anuala de 22 miliarde de galoane obtinute predominant din culturi de cereal . Biodiesel-ul obtinut din seminte a atins o capacitate anuala de 5670 miliarde de galoane , cu ulterioare cresteri depinzand de cererea global . Biocombustibilii gazosi se impart in biogaze si singaze. Obtinerea de biogas , din deseuri organice prin descompunerea anaeroba , a crescut rapid la nivel European si Asiatic , cu potentialul de a inlocui 25% din consumul actual de gaze naturale . Per total , dezvoltarea si utilizarea de bioenergii si biocombustibili la nivel global va creste . Este de asteptat ca pana in 2050 , bioenergia sa aprovizioneze 30% din cererea globala de energie.

1.2 Introducere prinvind pilele de combustie cu biocombustibili

Pilele de combustie sunt in zilele noastre o alternativa promitatoare pentru producerea de energie prezentand o serie de avantaje in comparatie cu combustibilii fosili sau cu energia nucleara . Pilele de combustie asigura un alt mod de generare a energiei electrice care este bazat pe transformarea energiei chimice direct in energie electrica prin intermediul reactiilor redox . Acest lucru duce la o eficienta mai amre reducand impactul cu mediul .

Pilele de combustie opereaza de obicei cu doi electrozi catalitici , unde anodul oxideaza biocombustibilul sa catodul catalizeaza , in majoritatea cazurilor , reducerea oxigenului .

O subclasa a pilelor de combustie este cea a pilelor de combustie cu biocarburanti,unde este implicat in procesul redox o enzima catalizatoare in forma purificata sau ininteriorul unui organism.

Particularizarea esentiala a biocarburantilor este specificitatea mare fata de combustibil (zaharuri , alcooli , hidrogen la anod ) si la reducerea oxidantilor (oxigen si apa oxigenata ) la catod unde se genereaza electricitate (fig. 1) . Datorita conversiei energiei in conditio blande de pH si specificitatii substratului , acest fel de generator de electricitate se pot folosi in medii complexe (organism vii , vegetale ) fara separare intre bioanod si biocatod .

In plus acest tip de pila de combustie nu foloseste niciun metal nobil sau tranzitional(de exemplu platina care este componentul principalintr-opilaconventionala). Aceste avantaje au facut pilele de combustie cu biocombustibili osursapromitatoarede energie electrica pentru dispozitivele electronice portabile,biosenzori,implanturi medicale,sau alte tipuri de aparaturabioelectrica.Posibilitatea de ageneraelectricitateprinorganismulviu a directionat fabricarea pilelor de combustie cu glucoza.

Fig.1 Reprezentarea schematica a unei pile de combustie cu biocombustibil

2. CUPLAREA ELECTROCHIMICA A ENZIMELOR SI TRANSPORTUL DE MASA A BIOCOMBUSTIBILILOR

Pentru a dezvolta pile performante de combustie cu biocombustibili,doua aspecteimportantetrebuiesc luate in calcul: transfer eficient de electroni in zona activa a enzimei si suplimentarea eficienta a enzimelor cu biocombustibilii si oxigenul din interiorulconfiguratiei electrodului din biocombustibil.

In mediul sau natural, transferul de electroni enzimatic este realizat de catre cofactori enzimatici cum ar fi NAD (lb.eng. nicotinamide adenine dinucleotide), PQQ (lb.eng. pyrroloquinoline quinone) sau FAD (lb.eng. flavine adenine dinucleotide) pentru oxidarea glucozei.

In momentul in care enzmele sunt retinute pe suprafata electrozilor sunt vizate doua strategii pentru cuplarea electrochimica a zonei active a enzimei cu suprafata de contact a electrodului :

1.Michael Holzinger;Alan Le Goff;Serge Cosnier;'Carbon nanotube/enzyme biofuel cells', 2011, p179,p180,p183,p189

2.Jaroslav Filip si Jan Tkac, 'Is grapheme worth using in biofuel cells?', mai 2014,p1,p2,p4

3.Jing Yang;Donghua Hu;Xiaohuan Zhang;Kunqi Wang;Bin Wang;Bo Sun;Zhidong Qiu; 'Enzyme-Catalyzed biocathode in a photoelectrochemical biofuel cell', mai 2014, p617,p618

4.Takeo Miyake;Keigo Haneda;Syuhei Yoshino; Matsuhiko Nishizawa; 'Flexible,layered biofuel cells', iunie 2012,p45,p46