CELULE DE COMBUSTIBIL

Hidrogenul Înainte de descoperirea sa, hidrogenul a fost confundat cu alte gaze. În 1766, chimistul englez Henry Cavendish a aratat ca hidrogenul se formeaza la aplicarea acidului sulfuric pe metale si astfel este considerat descoperitorul hidrogenului. Ulterior, a aratat ca, apa este rezultatul reactiei dintre hidrogen si oxigen. În 1781, Joseph Priestley a numit acest gaz “aerul inflamabil”. Chimistul francez Antoine Laurent Lavoisier a dat acestui gaz denumirea de hydrogenium (formeaza apa). Hidrogenul lichid a fost produs prima data în 1898 de James Dewar. Hidrogenul este cel mai frecvent element din Univers. În spatiu este prezent în trei forme: ioni (protoni), atomi si molecule biatomice. Pe Terra apare doar în molecule. În combinatie cu alte elemente hidrogenul este foarte raspândit, iar cea mai frecventa si importanta forma este apa (H2O). Apa este baza vietii.


Figura 3.1


Hidrogenul are proprietatile unui gaz si se ridica, datorita densitatii sale mai mici decât cea a aerului. Atentie la folosirea hidrogenului în spatii închise, unde poate avea loc periculosul amestec de hidrogen si aer si care explodeaza. În figura 3.1 sunt prezentate valorile energetice la diferite tipuri de combustibil. Din grafic se poate observa diferenta mare dintre hidrogen si alte tipuri de combustibil.


Constructia si functionarea unei celule de combustibil

Modul de functionare a unei celule de combustibil este prezentat în figura 3.2. Într-o celula de combustibil hidrogenul reactioneaza cu oxigenul formând apa. Cele doua gaze sunt separate printr-un electrolit (de exemplu o membrana din material artificial-plastic) si schimba electroni negativi printr-un conductor electric. Acest flux de electroni transforma celula într-o sursa (izvor) de energie. De asemenea va fi folosita si caldura rezultata. La anod (polul negativ) hidrogenul va fi descompus cu ajutorul unui catalizator în ioni pozitivi si electroni negativi. Trebuie facuta diferenta dintre sensul real al electronilor în circuit si, implicit, si a sensului curentului electric si sensul conventional.

Figura 3.2

Fiecare atom de hidrogen va ceda câte un electron, care printr-un conductor se va îndrepta spre catod (polul pozitiv). Astfel circula curent electric, cu ajutorul caruia ionii de hidrogen se vor combina cu oxigenul, rezultând apa.

Figura 3.3

Conform legilor electrochimiei, o singura celula de combustibil poate furniza doar o tensiune de 1 volt. Pentru a obtine tensiuni mai mari trebuie legate în serie mai multe celule, iar pentru curenti mai mari trebuie legate mai multe celule în paralel. Astfel se obtin panouri cu celule. Reactiile chimice sunt prezentate în figura 3.3. Într-o celula de combustibil, energia chimica acumulata în combustibil se transforma în energie electrica si energie termica. Energia combustibilului = Energie electrica + Energie termica În figura 3.4 sunt prezentate „produsele” celulei de combustibil.

Figura 3.4

La arderea combustibilului, energia sa se elibereaza prin caldura reactiei. Într-o celula de combustibil reactioneaza hidrogenul cu oxigenul, pe un mol de hidrogen se elibereaza o cantitate de energie de 286kJ . Aceasta valoare este entalpia reactiei ?H sau, la presiune constanta, este numita putere calorifica.

Aplicatiile celulei de combustibil Celulele de combustibil sunt utilizate destul de mult la propulsia vehiculelor sau la vapoare. Pretentiile asupra celulei de combustibil sunt deosebit de mari, deoarece la volum mic ele furnizeaza o putere de peste 50 kW si trebuie sa garanteze un timp de functionare îndelungat. Ele sunt alimentate în mare masura cu hidrogen sub presiune. Hidrogenul va fi comprimat pâna la 700 bar si depozitat în rezervoare sigure. Conceptele de propulsie cu hidrogen lichid sau producerea ad-hoc a hidrogenului au fost realizate cu succes. Ca tip de celula de combustibil se foloseste PEFC. Majoritatea producatorilor de autoturisme au dezvoltat masini cu celule de combustibil, care se afla în stadiul de probe. Celulele de combustibil sunt folosite si ca baterii în aparate mici si la producatori portabili de energie de pâna la 1 kW. Sunt o alternativa eficienta a acumulatorilor. În comparatie cu bateriile, ele ofera un timp mai mare de utilizare precum si un numar nelimitat de cicluri de încarcare. Cele mai mari avantaje sunt greutatea redusa si puterea mare de acumulare. Cele mai frecvent utilizate celule de combustibil sunt PEFC si DMFC. Domeniile de utilizare sunt aparate de comunicare, lanterne, telefoane mobile, laptop si aparate portabile de producere a energiei electrice.



Tipuri de celule de combustibil

Celula de combustibil cu acid fosforic (PAFC) Temperatura de lucru de 130-200oC face ideala folosirea celulei de combusibil cu acid fosforic la producerea stationara de energie în centrale termice mici de blocuri. Primele instalatii comerciale sunt deja pe piata si servesc la alimentarea blocurilor sau a fabricilor mici cu caldura si curent electric. Se folosesc celule de combustibil cu acid fosforic împreuna cu hidrogen. Cu ajutorul unui convertor se poate utiliza gaz sau metanol.

Caracteristici:

  1. se face schimb de ioni de hidrogen, deci membrana trebuie sa fie permanent umeda;
  2. ca electrolit se foloseste acid fosforic lichid; ? instalatiile sunt sensibile la monoxidul de carbon, ceea ce implica curatarea gazului din proces;
  3. temperatura de lucru: 130-200 oC;
  4. puterea: 50-500 W;
  5. randamentul: 48-60 %;
  6. se folosesc la centrale termice de bloc.

Celula de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Temperatura înalta de lucru, 650oC, faciliteaza, pe lânga producerea curentului electric si caldurii, si producerea de abur. Din cauza temperaturii ridicate, în celula poate avea loc conversia interna a gazului în hidrogen si bioxid de carbon. Un convertor extern nu este necesar. Temperaturile înalte si sarurile lichide ale electrolitului, ataca materialul.

Caracteristici:

  1. se pot folosi doar gaze de ardere continând carbon, hidrogenul pur nu poate fi folosit;
  2. o problema o constituie dizolvarea lenta a catodului în electrolit;
  3. se cauta materiale mai rezistente;
  4. temperatura de lucru: 650 oC;
  5. exista echipamente care dezvolta 250 kW, iar altele de 2,2 MW se dezvolta în prezent;
  6. randamentul: 48-60 %;
  7. se folosesc la centrale termice de bloc.

Celula de combustibil cu oxid ceramic (SOFC)

Celula de combustibil cu oxid ceramic are temperatura de lucru cea mai ridicata, 800-1000 oC, si va fi folosita în centralele termice industriale. Se pot dezvolta si sisteme mai mici pentru case. Pentru acest tip se studiaza si o forma tubara. Celula functioneaza cu hidrogen, care datorita temperaturilor ridicate poate fi obtinut din gaz metan, printr-un proces intern. În figura 3.5 este prezentat principiul de functionare al unei celule de combustibil cu oxid ceramic ( SOFC ).

Figura 3.5

 

Caracteristici:

  1. se schimba ioni de oxigen într-un electrolit ceramic din zirconiu îmbunatatit;
  2. este necesara gasirea unor electroliti mai subtiri, care sa functioneze la temperaturi mai mici;
  3. puterea: 1-2,5 MW;
  4. se folosesc îndeosebi în centrale termice.

Celula de combustibil alcalina (AFC)

Celulele de combustibil alcaline au fost utilizate la bordul navetei spatiale Apollo. Ele sunt celulele clasice de combustibil. Datorita randamentului electric ridicat si a temperaturii de lucru usor controlabila de 80 oC, sunt folosite si în prezent în zborurile spatiale.

Caracteristici:

  1. reactia este foarte sensibila datorita urmelor de bioxid de carbon din hidrogen si oxigen;
  2. temperatura de lucru: 60-90 oC;
  3. au fost realizate instalatii cu puteri de la 1 kW la 120 kW;
  4. randamentul este de pâna la 60%;
  5. se utilizeaza la zborurile cosmice si barci de agrement.

Celula de combustibil cu membrana de polimer (PEFC)

Numele acestei celule provine de la o folie de polimer folosita drept perete despartitor între anod si catod. Prototipurile se folosesc ca surse de energie pentru masini, centrale termice pentru case sau ca baterii pentru laptop, telefoane mobile. Celula foloseste hidrogen purificat. Cu un convertor, se poate folosi si gaz metan sau benzina.

Caracteristici:

se schimba ioni pozitivi de hidrogen, deci membrana trebuie sa fie permanent umeda;

instalatiile sunt sensibile la monoxidul de carbon, ceea ce implica curatarea gazului din proces;

  1. temperatura de lucru: 0-80 oC;
  2. puterea pâna la 250 kW;
  3. randamentul cu hidrogen: 60%;
  4. randamentul cu metan: 40%;
  5. se utilizeaza la alimentarea cu curent electric, în domeniul automobilelor, la centralele termice.

Celula de combustibil cu metanol direct (DMFC)

Metanolul este lichid, deci poate fi utilizat usor. Functioneaza fara un convertor. Electrolitul este o membrana, iar temperatura de lucru 60-130 oC.

Caracteristici:

  1. se schimba ioni pozitivi de hidrogen;
  2. temperatura de lucru: 60-130 oC;
  3. se utilizeaza la aparate mici.  

oben...