Pile de Combustie

PILE DE COMBUSTIE

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.

O celula electrochimica este un dispozitiv capabil sa conduca energie electrica din reacţii chimice , sau facilitarea reacţiilor chimice prin introducerea de energie electrică. Un exemplu comun a unei celule electrochimice este o baterie standard de 1,5 volţi.

O celula electrochimica este formata din două jumătăţi de celule. Fiecare jumătate de celula constă dintr-un electrod , şi un electrolit . Două jumătăţi de celule pot utiliza aceleaşi electrolit, sau pot utiliza diferiti electroliţi. Reacţii chimice în celulă poate implica electrolitii, electrozi sau o substanţă externă .

Acestia sunt clasificati 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

Caracteristicile pilelor de combustie:

1) Membrana acida polimerizata cu schimb de protoni (PEMFC - Polymer Electrolyte Fuel Cell)

Proiectarea de electrozi pentru polimeri celule de combustibil cu membrană electrolit (PEMFC) constituie un echilibru delicat. Conductanţă de gaz, electroni, protoni şi trebuie să fie optimizata pentru a oferi eficiente de transport la şi de la reacţii electrochimice. Acest lucru este realizat prin luarea în considerare atentă a volumului de efectuare a mediei necesare de către fiecare fază şi de distribuţie. În plus, problema inundaţiilor electrodului nu poate fi neglijat în procesul de proiectare electrozi.

Prima aplicare unei membrane de schimb de protoni (PEM), fost în anii 1960 si a fost utilizata ca o sursă de energie auxiliară în zborurile spaţiale.

Metodele de fabricatie, care au devenit acum convenţionale, au fost adoptate şi optimizate pentru un grad ridicat. Cel mai important obstacol pe care celule PEM a trebuit să il depăşească, a fost cantitatea de platină costisitoare, necesara catalizatorului. Cantitatea mare de platină în celulele originale de combustibil PEM este unul dintre motivele pentru care celulele de combustibil au fost excluse comercializarii.

Astfel, reconfigurarea celulelor de combustibil PEM a fost orientată mai degrabă direct pe electrozi angajaţi şi, mai precis, pe reducerea cantităţii de platină în electrozi. Aceasta continuă să fie o forţă motrice pentru cercetări suplimentare privind electrozi PEM a celulelor de combustibil.

O celulă de combustibil PEM este o celula electrochimica care este alimentata pe bază de hidrogen, care este oxidant la anod, şi oxigen, care este

redus la catod. Având în vedere că membrana nu este conducătoare de electricitate, electronii eliberati de la catod pe bază de hidrogen de-a lungul unui ocol electric furnizeaza şi un curentul electric care este generat. Aceste reacţii şi cai sunt prezentate schematic în Fig. 1.

La interiorul celulelor de combustibil PEM este membrana electrod de asamblare (MEA). MEA este prezentata în schema de o singura celula de combustibil PEM în Fig. 1.

MEA este de obicei la mijloc fiind inserata intre două plăci de câmp de flux care sunt de cele multe ori în oglindă pentru a face o placă bipolară atunci cand celulele sunt stivuite în serie pentru tensiuni mai mari. MEA se compune dintr-un proton membrana de schimb, straturi catalizatoare, şi gaz in straturi de difuziune (GDL). De obicei, aceste componente sunt fabricate în mod individual şi apoi presate la împreună la mari temperaturi şi presiuni.

Membranele de polimer acid pot fi realizate in folii extrem de subtiri, sub 50 µm, facand posibila micsorarea dimensiunilor pilei si prin urmare, obtinerea unor densitati de putere crescute. Scaderea grosimii foliei de electrolit scade considerabil rezistenta interna a pilei si, prin urmare, scad si pierderile rezistive din interiorul ei.

Universitatea Politehnica din Bucuresti, Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor