CLASIFICAREA SURSELOR ELECTROCILIMICE DE ENERGIE

Asa cum s-a aratat, una din directiile alternative de obtinere a energiei eloctrice o constituie conversia electrochimica, adica transformarea directa, nepoluanta si silentioasa, a energiei chimice continute intr-o mare varietate do substante, in cea mai avantajoasa forrna de energie, energia electric. Acest proces de conversie are loc in aparate si dispozitive numite generic Surse sau Pile Electrochimice de Energie Electrica.(Pile de combustie) j5y8yq
Dupa realizarea pilei Volta, aceasta sursa de energie a fost utilizata de catre Nicholson si Carlisle la descompunerea apei in hidrogen si oxigen, iar de catre Davy, in 1307, la descompunerea alcaliilor. Daniell si Faraday au continuat in mod stralucit experimentarile in domeniul acestor surse noi de energie, in prima jumatate a veaculul trecut.
Un eveniment de seama in dezvoltarea surselor electrochimice de energie l-a reprezentat realizarea acumulatorului cu plumb de catre Plante, in anul 1859. Peste noua ani, in 1868, Leclanché inventoaza pila zinc-piroluzita care devine rapid una din cele mai populare surse electrochimice de energie.
Sursele eloctrochimice do energie se clasifica dupa tipul de reactie la electrozi, si anume: a) daca reactia este ireversibila, energia electrica producandu-se pe seama unor reactanti in cantitate limitata si nu se poate realiza regenerarea acestora prin electroliza, sursa se numeste pila primara; b) daca reactia este reversibila, reactantii consumati in timpul producerii energiei electrice putindu-se regenera prin ectroliza, sursa se numeste pila secumdara au acumulator; c) in cazul in care reactantii sunt transportati tot timpul la electrozi, iar produsii de reactie sunt eliminati simultan sursa devine o asa-numita pila cu combustibil (demumita si pila de combustie).

PRINCIPIILE DE FUNCTIONARE SI TIPOLOGIA
PILELOR DE COMBUSTIE

Ideea de a obtine energie electrica prin conversia directa a energiei chimice a aparut atunci cind sa pus problema desfasurarii in sens invers a fenomenului de electroliza a apei (in urma caruia rezulta componentele aces teia), adica de a obtine curent electric in urma reactiei dintre hidrogen si oxigen.
In anul 1801, Davy a realizat acest lucru utilizind carbonul drept combustibil si acidul nitric drept oxidant. Cercetarile au fost continuate de Ostwald Nerst, Haber s.a. deoarece conversia directa a energiei chimice in energie electrica evita veriga energie termica si, deci, randamentul de transformane nu aa depinde de limitele Carnot.
Pilele de combustie pot fi incadrate in sistemele energetice de tip “soft” datorita urmatoarelor caracteristici:
- produc curent electic continuu la tensiuni scazute si intensitati medii care poate fi folosit direct de catre utilizatorii finali.
- nu produc poluarea mediului;
- functioneaza linistit, fara vibratii sau zgomote, neavind elemente in miscare etc.
Principial, energia eliberata la oxidarea cornbustibililor conventionali, utilizata in general sub lorma de caldura, poate fi covertita direct in energie electrica cu un randament excelent, intr-o pila de combustie. Decarece in aproape toate reactiile de oxidare intervine un transfer de electroni intre combustibil si oxidant, este evident ca energia chimica de oxidare poate fi convertita direct in energie electrica. Se produce o reactie de oxido-reducere in care are loc oxidarea combustibilului si reducerea oxidantului cu o pierdere din partea unula si cu un castig de electroni pentru celalalt. Orice element galvanic implica o oxidare la polul negativ (pierdere de electroni) si o reducere la cel pozitiv (castig de electroni) si, ca in toate elemenele galvanice, pilele de combustie tind sa separe cele doua reactii partiale in sensul ca electronii schimbati trec printr-un circuit de utilizare cxterioara.
Pentru a asigura desfasurarea acestui proces, este indispensabila realizarea unui element continand un anod, un catod si un electrolit care poate fi alimentat direct cu un combustibil, si cu aer (fig. 2). Oxigenul necesar arderii combustibilulul este ionizat la catod; Ionii migreaza apoi in electrolit pentru a ajunge la anod unde se produce oxidarea cornbustibilului.
Modul de functionare a unei pile de combustie va fi explicat in coutinuare,avand drept exemplu cea mal simpta pila care functioneaza cu hidrogen si oxigen.

PILA BE COMBUSTIE HIDROGEN - OXIGEN

Procesele cinetice ireversibile asociate unei pile de combustie constau intr-o serie de reactii de oxido-reducere.
Un combustibil A este transportat la anodul poros unde este adsorbit pe suprafata acestuia, apoi disoclat in ioni si electroni intr-un proces de oxidare. Dupa aceea, are loc migrarea electronilor de la anod si eliberarea gazulul ionic la suprafata anodului. In electrolit trebuie asigurat transportul ionilor AZ+ de la anod la catod, impotriva cimpului electric rezultat, pe seama cimpului imprimat elertrochimic. La catod, se intalnesc ionii (sositi prin electrolit), electronii (sositi prin circuitul exterior) si oxidantul B. Are loc reactia de reducere, rezultind produsul de reactie care trebuie eliminat. Pila de combustie se compune deci, din trei elemente: electrolitul, ebectrozii si reactantii (un combustibil si un oxidant).
O pila de combustie folosind drept combustibil hidrogenul, drept oxidant oxigenul, electrolit alcalin (hidroxid de potasiu) si electrozi care joaca si rolul do catalizatori (pentru electrodul de hidrogen platina neagra, paladiu, iridiu etc. iar pentru cel do oxigen nichel, aliaje Ni—Ag etc.) este prezentata in fig. 3.2.

In timpul functionarii, electrozii nu sufera nici o modificare structurala, ei servind doar ca suport pentru reactic; la anod are loc oxidarea catalitica a hidrogenului atomic, iar la catod reducerea catalitica a oxigcnului atomic. Fenomenul de oxidare si reducere catalitica are loc in regim trifazic (gaz—lichid—solid) la suprafata cataliztorului conform reactiei globa1e:
H2 + ½O2 óH2O

Randamentul Pilelor de Combustie

Reactia de baza intr-o pila de combustie este oxidarea unui combustibil, asa cum in pilele conventionale primare are loc oxidarea unui metal. Randamentul pilelor de combustie este superior turbogeneratoarelor din centralele electrice actuale deoarece entalpia de reactie este convertita direct in energie electrica, cu exceptia unui termen entropic.
Valoarea teoretica a randamentului izoterm (?iz) este superioara ciclului Carnout:
?iz = Wmax/?H = ?G/?H = 1 -; T?S/?H (3.1) unde W max este energia electrica maxima.

Randamentul izotermic al reactiilor care au loc in pilelel de combustie poate atinge si depasi, in mod teoretic, 80%. Randamentul electric (?el) al pilelor de combustie se obtine prin raportarea energiei electrice obtinute (W el) la entalpia de reactie
?el = Wel/ ?H = Wel/Wmax = E/Emax ?iz (3.2) unde E este tensiunea electromotoare in sarcina, iar Emax este cea corespunzatoare si tensiunile insituatia cand apa rezultata din reactie se prezinta sub forma lichida sau gazoasa.
Randamentul izoterm al pilelor de combustie depinde, asa cum se constata din relatia 3.1, de marimea entropiei de rcactie care, atunci cand este pozitiva implica randamente mai mari decat unitatea, deoarece se preia o parte din caldura mediului. Acest fenomon se intalneste in situatii experimentale si nu prezinta interes practic. Se pot constata, la restul reacitiilor, randamente teoretice foarte mari care depasesc cu mult randarmentul teoretic at ciclulul Carnot de 30-50%.
Totusi, in mod practic, datorita polarizarii interne a pilei, caderilor de tensiune etc. se obtin randamente de 50-60% care sunt destul de mari, fata de alte procedee practice d conversie.

APLICATI SPATIALE

Deceniul sapte al veaculul nostru este deceniul in care s-a inregistrat validarea utilizarii pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic.
Obiectivele avute in vedere in realizarea pilelor de combustie hidrogen-oxigen (H2-O2) utilizate la navele spatiale au fost acelea de a crea surse de energie usoare si independente, cu destinatii multiple: comanda si control, comunicatii, radar, luarea si transmiterea de imagini, alimentarea vehiculelor folosite la explotarea suprafetelor altor planete sau a satelitilor naturali. Aceste pile de combustie trebuie sa indep1ineasc anumite conditii cum ar fi:
- fiabilitate si mentenanta foarte ridicata, posibi1itatile de reparare fiind foarte limitate;
- energii si puteri specifice mari, fiind cunoscut faptul ca lansarea in spatiul cosmic a unei muse de un kilogram costa de la cateva mii la zece mii de dolari (in anul 1989);
- rezistenta mare la cnnditiile speciale din spatiul cosmic, conditii legate de imponderabilitate, precum si la cele existente pe suprafetele extraterestre: fluctuatii mari de temperatura si presiune, meteoriti, radiatii, absenta atmosferei.
Programele spatiale americane Gemini si Apollo au folosit sisteme de pile de combustie H2-O2 cu puterea de 2kW pentru alimentarea cu energie electrica a capsulelor spatiale. Totodata, s-a rezolvat si problema alimentarii cu apa a echipajului navelor in spatiul extraterestru.

Pentru capsula Gemini, s-a utilizat pila H2-O2 cu electrozi de titan acoperiti cu catalizator de platina, cu electrolit care const dintr-o membrana de polistiren schimbatoare de ioni (acid polistrosulfonic drept cationit, respectiv rasini cu anioni de sulfonat, drept anionit). In fig. 4.11 este prezentata schematic aceasta pila. Hidrogenul si oxigenuloxigenul sint stocate la presiuni mari si temperaturi mici. Puterea specifica realizata este de 32 W/kg, iar densitatea de curent este de 100 mA/cm2 la U= 0,7 V; s-au utilizat 6 baterii individuale (grupate in 2 module de cite 3 baterii), fiecare baterie avand cate 32 de pile (celule) de combustie. Puterea totala este de 2 kW si se furnizeaza si 0,56 l de apa/kWh. Acest sistem de alimentare cu energie electrica a fost realizat de General Electric Corporation.; reprezentarea lui schematica este realizata in fig. 4.12.

La capsulele Apollo s-a folosit pila H2-O2 alcalina (Bacon) presurizata, realizata de Pratt & Whitney.
Pila lucreaza la ternperatura do 250°C, are eleotrozi cu strat dublu poros (nichel pentru anod s1 nichel acoperit cu oxizi de Ni si Li pentru catod) si electrolit alcalin (KOH); atinge 300 mA/cm2 la U=0,9 V, la o concentratie de 90% a electrolitului. Alte pile de combustie folosite la misiunile Apollo au electrozii confectionati din platina spongioasa neagra, material ci o mare putere catalitica. Intr-un volum redus se pot realiza mari densitati de curent, iar greutatea totala a sistemului de propulsie - motor electric plus pila de combustie este de 39 kg fata de 96,450 kg in cazul sistemulul cu celule solare, si de 145 kg la sistemul cu motor cu gaze, cu ciclu diesel. Si programele spatiale Skylab si Apollo-Soiuz au beneficiat de serviciile pilelor de combustie H2-O2.
Pentru satelitii de mare altitudine sistemul de alimentare cu energie electrica care utilizeaza celulele solare nu functioneaza cind satelitul parcurge portiunea din traiectoria sa care se afla in umbra si, de aceea, se pot utiliza cu succes si pilele de combustie. Agentia Spatiala Europeana pregateste pentru luna aprilie a anului 1998 primul zbor cu un echlpaj de trei persoane la bord a navetei spatiale Hermes, cu masa de 21 de tone, sarcina utila de 3 tone si o autonomie de zbor de 8 zile.
Pilele de combustie folosite vor fi realizate de firma vest-germana Dornier, dupa anul 1989, vor fi de tipul H2-O2 sau H -;aer si vor furniza o putere de 10 kW; autonomia lor va fi de peste 4 000 h, iar durata de viata de 26 000 h. De asemena, vor furniza apa potabila pentru cchipaj.
Larga utilizare a pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic este determinata de energia specifica mare a pilei H2-D2, rezultata din capacitatile electrochimice mari ale hidrogenului si oxigenului (v. tabelul 1.1).
Pentru misiuni spatiale indelungate este preferabila cuplarea pilelor de combustie cu instalatii de regenerare a combustibilului si oxidantului, cu ajutorul energiei solare sau nucleare. Cele mai avantajoase metode de regenerare sunt: electroliza sl disocierea termica.
Navele spatiale cu echipaj la bord poseda si instalatii pentru ciclarea deseurilor omenesti. Aici si-au gasit aplicatia pilele de combustie biochimice, cu enzime sau organisme active. Energia produsa de biopile constituie un subprodus binevenit.
Cercetarile si realizarile din domeniul pilelor de combustie pentru navele spatiale au avut si au in continuare un rol important la impulsionarea dezvoltarii acestor surse electrochimice de energie cu aplicatii si in alte domenii.