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:
-
se face schimb de ioni de hidrogen, deci
membrana trebuie sa fie permanent umeda;
-
ca electrolit se foloseste acid fosforic
lichid; ? instalatiile sunt sensibile la monoxidul de
carbon, ceea ce implica curatarea gazului din proces;
-
temperatura de lucru: 130-200 oC;
-
puterea: 50-500 W;
-
randamentul: 48-60 %;
-
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:
-
se pot folosi doar gaze de ardere continând
carbon, hidrogenul pur nu poate fi folosit;
-
o problema o constituie dizolvarea lenta a
catodului în electrolit;
-
se cauta materiale mai rezistente;
-
temperatura de lucru: 650 oC;
-
exista echipamente care dezvolta 250 kW, iar
altele de 2,2 MW se dezvolta în prezent;
-
randamentul: 48-60 %;
-
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:
- se schimba ioni de oxigen într-un electrolit ceramic din
zirconiu îmbunatatit;
- este necesara gasirea unor electroliti mai subtiri, care
sa functioneze la temperaturi mai mici;
- puterea: 1-2,5 MW;
- 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:
- reactia este foarte sensibila datorita urmelor de bioxid
de carbon din hidrogen si oxigen;
- temperatura de lucru: 60-90 oC;
- au fost realizate instalatii cu puteri de la 1 kW la 120
kW;
- randamentul este de pâna la 60%;
- 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;
- temperatura de lucru: 0-80 oC;
- puterea pâna la 250 kW;
- randamentul cu hidrogen: 60%;
- randamentul cu metan: 40%;
- 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:
- se schimba ioni pozitivi de hidrogen;
- temperatura de lucru: 60-130 oC;
- se utilizeaza la aparate mici.
| 
