7.4. Pile de combustie

Pilele de combustie sunt celule galvanice care prin "ardere rece" dau, pe baza unei transformări electrochimice, energie electrică. Oxidarea combustibilului la anod şi reducerea oxidantului la catod se realizează pe electrozi continuu alimentaţi, separaţi şi care nu participă efectiv la reacţia din celulă.

Davey (1801) a fost primul care a avut ideea realizării unei astfel de pile iar construirea ei practică i se datorează lui J. Grove (1834). Toate numele mari ale electrochimiei (Ostwald, Nernst, Haber) sunt legate în decursul timpului de acest subiect întrucât pilele de acest tip realizează transformarea directă a energiei chimice în energie electrică.

Cerinţele pe care trebuie să le îndeplinească o pilă de combustie pentru a avea aplicabilitate în practică sunt:

-           reacţia electrochimică de bază trebuie să se desfăşoare suficient de rapid pentru a se obţine o putere suficient de mare;

-           conductivitatea participanţilor la reacţie şi a părţilor conductoare ale celulei trebuie să fie suficient de mare pentru a  nu pierde  prea multă energie sub formă de căldură;

-           toate reacţiile care au loc în celula de combustie trebuie să poată să-şi "livreze" energia sub formă de energie electrică;

-           supratensiunile la catod şi anod trebuie să fie cât se poate de mici;

-           livrarea de energie trebuie să nu fie influenţată  de regimul de utilizare (şocuri de sarcină, opriri sau funcţionare continuă);

-           substanţele active trebuie să fie uşor de obţinut, ieftine şi netoxice;

-           numărul de agregate ajutătoare să fie redus la minim;

Pilele de combustie nu reprezintă o concurenţă pentru uzinele electrice clasice sau pentru centralele atomice dar reprezintă mijloace de asigurare cu curent electric pentru consumatori mici pentru care nu există alte posibilităţi de alimentare (zboruri cosmice, relee de televiziune pe munţi înalţi, faruri pe ocean, submarine etc.).

Cea mai bine studiată pilă de combustie este pila H₂ - O₂ care a fost dezvoltată în timpul programelor spaţiale Gemini şi Apollo.

7.4.1. Pila de combustie H₂ - O₂

Electrolitului utilizat poate fi acid sau alcalin iar reacţiile care au loc sunt:

Procesele anodice şi catodice implică adsorbţia (şi desorbţia) gazelor şi a produşilor de reacţie fapt pentru care realizarea unor electrozi performanţi a reprezentat o problemă principală. Soluţia este dată de electrozi stratificaţi, realizaţi din trei straturi: unul cu rol de suport, permeabil la gaze, al doilea (subţire) care permite accesul electrolitului şi ultimul, responsabil de reacţia de transfer de sarcină. Acest tip de electrozi se numesc electrozi poroşi cu dublu schelet (DSK) şi au fost elaboraţi la începutul anilor '50 ai secolului trecut de către E. Justi. Ei sunt alcătuiţi din nichel Raney sinterizat care conţine catalizatori metale nobile de la argint la platină.

Nichelul Raney este o pubere de nichel cu activitate foarte ridicată, obţinută prin tratarea unui aliaj Ni-Al cu o bază tare, când aluminiul reacţionează şi rămâne pulberea de nichel cu o suprafaţă specifică foarte mare. Procesul anodic care implică şi apa oxigenată ca intermediar trebuie obligatoriu catalizat de argint şi chiar şi în aceste condiţii etapa determinantă de viteză rămâne etapa de descompunere a apei oxigenate.

O pilă H₂ - O₂ care funcţionează cu electrolit alcalin este reprezentată în Fig.7.5:

Tabelul 7.2 prezintă comparativ caracteristicile pilelor de combustie H₂ - O₂ cu electrolit bazic respectiv acid:

Tabel 7.2 Caracteristicile pilelor de combustie H₂ - O₂

S-au dezvoltat numeroase tipuri de pile de combustie care înlocuiesc H₂ cu alţi combustibili şi oxigenul cu alţi oxidanţi. Există trei tipuri  constructive de pile de combustie:

Pile de combustie care funcţionează la temperaturi joase, de la temperatura camerei până la temperatura de fierbere a amestecului electrolit / combustibil adică 25...100^oC.

Pile de combustie care funcţionează la temperaturi medii (100...200^oC) utilizează drept combustibil H₂ sau amestecuri H₂ + N₂ la presiune ridicată iar oxidantul este oxigen la presiune ridicată.

Electrolitul circulă între celulă şi un schimbător de căldură unde din produşii de reacţie se condensează apa. Este tipul cel mai utilizat de pilă de combustie dar prezintă dezavantajul uzual, datorat electrolitului alcalin şi anume carbonatarea acestuia.

Pile de combustie care funcţionează la temperaturi ridicate (800...1100^oC) utilizează combustibil care poate fi un amestec de oxizi de carbon şi abur, amestec H₂ + N₂, NH₃ cu catalizator optim pe anod.

Acestea sunt pilele cu cel mai scăzut randament dar permit utilizarea unor combustibili foarte ieftini şi utilizarea aerului ca oxidant de aceea dezvoltarea lor ulterioară este previzibilă.