chimie
0 likes436 views
Pilele de combustie sunt generatoare electrochimice care transformă energia chimică a combustibilului în energie electrică și termică, având un randament superior motoarelor termice. Acestea folosesc hidrogen, dar și alte combustibili, și emit apă ca rezultat prin reacții de oxidare și reducere, necesitând catalizatori pentru eficiență. Aplicațiile lor variază de la explorarea spațială la vehicule cu emisii zero, oferind o soluție alternativă ecologică pentru producția de energie.
chimie
- 1. 1 PILE DE COMBUSTIE Prof: Raicu Florica Mariana
- 2. 2 Pilele de combustie sunt generatoare electrochimice capabile să convertească continuu energia chimică a unui combustibil în energie electrică și termică în absenţa unei reacţii de combustie directă. Conversia energiei chimice în energie electrică se realizează pe baza unor reacţii electrochimice de oxidare care au loc în prezenţa unui combustibil gazos la anod și de reducere în prezenţa unui oxidant (oxigenul din aer) la catod . Uzual se utilizează drept combustibil hidrogenul, dar se mai pot folosi: gaze naturale, oxid de carbon și metanol. Randamentul pilelor de combustie, teoretic apropiat de unitate, este de 2-3 ori mai mare decât cel corespunzător motoarelor termice clasice; mai mult, funcţionarea lor este silenţioasă și foarte puţin poluantă. Dacă se foloseste hidrogenul drept combustibil, apa constituie singura emisie care rezultă la exploatarea pilei. Deși prima pilă de combustie a fost inventată în 1839 de W. R. Growe, evoluţia acestor dispozitive a luat amploare în cursul anilor 60 ca urmare a dezvoltării programelor spaţiale si mai ales după 1980 când s-au impus programe de realizare a tehnologiilor ―curate‖ în fabricarea energiei sau utilizarea autovehiculelor. Principiul de funcţionare O pilă de combustie constă dintr-un anod alimentat cu combustibil (H2) si un catod alimentat cu oxigen din aer, separaţi între ei printr-un electrolit care permite transferul de ioni între cei doi electrozi. Electronii formaţi prin disocierea hidrogenului la anod se deplasează spre catod printr-un circuit extern pentru a participa la reducerea oxigenului cu formare de apă. Reacţiile electrochimice care au loc sunt constituite din două reacţii distincte: a) Oxidarea hidrogenului la anod; 2H2(g) →4 H+ + 4e- b) Reducerea oxigenului la catod O2(g)+4H+ +4e- 2H2O(l) Reacţia globală care are loc în pilă este: 2H2(g) + O2(g) H2O (l) La temperaturi mici reacţiile menţionate sunt foarte lente, mai ales cea de reducere a oxigenului. Pentru intensificarea reacţiilor, în componenţa celor doi
- 3. 3 electrozi trebuie să intre si un catalizator uzual pe bază de platină. Teoretic, pila de combustie continuă să producă curent atât timp cât combustibilul si oxidantul alimentează cei doi electrozi. În realitate, degradarea elementelor pilei (electrolit, electrozi, catalizator și altele) limitează durata de funcţionare a pilei. Spre exemplu, electroliţii de tip polimeri solizi sau soluţii apoase pot fi utilizaţi numai pentru pile care funcţionează la temperaturi sub 200 0 C, deoarece la temperaturi mai mari se degradează rapid. Electrozii sunt, de asemenea, supuși degradării și otrăvirii. Degradarea anodului constă în reducerea suprafeţei poroase și a gradului de dispersie a catalizatorului, asociate cu diminuarea gradului de ionizare a hidrogenului. Oxizii de carbon (CO si CO2) prezenţi în combustibil sunt agenţi otrăvitori pentru catalizatorul anodic, deoarece se adsorb competitiv cu H2 diminuând gradul de ionizare al acestuia. Tipuri de pile de combustie Electrolitul este elementul definitoriu care determină proprietăţile principale, performanţele si temperatura de operare a pilei de combustie. În funcţie de tipul de electrolit se disting următoarele tipuri de pile de combustie: -Pile cu electrolit alcalin-AFC ( Alkaline Fuel Cells) ; -Pile cu electrolit acid fosforic – PFAC (Phosphorus Acid Fuel Cells) ; -Pile cu electrolit de tip polimeri solizi –PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) ; -Pile cu electrolit carbonaţi topiţi-MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) ; -Pile cu electroliţi oxizi solizi –SOFC (Solid Oxides Fuel Cells). Modul de funcționare a unei pile de combustie va fi explicat în continuare, având drept exemplu cea mai simplă pilă care funcționează cu hidrogen si oxigen. Pila de combustie Hidrogen-Oxigen Procesele cinetice ireversibile asociate unei pile de combustie constau într- o serie de reactii de oxido-reducere. Un combustibil este transportat la anodul poros unde este absorbit pe suprafața acestuia, apoi disociat în ioni si electroni într-un proces de oxidare. După
- 4. 4 aceea, are loc migrarea electronilor de la anod si eliberarea gazulul ionic la suprafața anodului. În electrolit trebuie asigurat transportul ionilor AZ+ de la anod la catod, împotriva câmpului electric rezultat, pe seama câmpului imprimat electrochimic. La catod, se întâlnesc ionii (sosiți prin electrolit), electronii (sosiți prin circuitul exterior) si oxidantul . Are loc reactia de reducere, rezultând produsul de reacție care trebuie eliminat. Pila de combustie se compune deci, din trei elemente: electrolitul, electrozii si reactanții (un combustibil si un oxidant). O pilă de combustie folosește drept combustibil hidrogenul, drept oxidant oxigenul, electrolit alcalin (hidroxid de potasiu) si electrozi care joacă si rolul de catalizatori (pentru electrodul de hidrogen platina neagră, paladiu, iridiu etc. iar pentru cel de oxigen nichel, aliaje Ni—Ag etc.) . În timpul funcționării, electrozii nu suferă nici o modificare structurală, ei servind doar ca suport pentru reacție; la anod are loc oxidarea catalitică a hidrogenului atomic, iar la catod reducerea catalitică a oxigenului atomic. Fenomenul de oxidare si reducere catalitică are loc în regim trifazic (gaz—lichid— solid) la suprafata cataliztorului conform reactiei globale: H2 + ½O2 H2O Combustibilul utilizat în pilele de combustie Hidrogenul este combustibilul preferat pentru pilele de combustie deoarece asigură cel mai bun randament în energie electrică și nu produce emisii poluante. Hidrogenul se poate obţine din urmatoarele surse: Din hidrocarburi: - Reformarea metanului cu vapori de apă - Oxidarea parţială a compușilor cu conţinut mare de carbon (fracţii petroliere reziduale, cocs, etc) - Din rafinării (flexicoking, reformare, dehidrogenare) - Piroliză Din apă - Electroliza apei - Fotoelectroliza - Descompunerea termică - Fermentarea i fotosinteza biologică
- 5. 5 Alte surse: - Gazeificarea cărbunilor sau a deșeurilor solide - Gazeificarea biomasei - Descompunerea metanolului, a amoniacului sau a apei - Pile de combustie regenerabile În prezent fabricarea hidrogenului în cantităţi mari se realizează pornind de la combustibilii fosili. Folosirea surselor bazate pe combustibili fosili generează CO2 care trebuie reţinut fie prin diverse utilizări, fie prin sechestrare în caverne. Varianta folosirii electrolizei pentru obţinerea H2 devine atractivă în măsura în care energia electrică provine din surse economice (energie nucleară, energie solară sau eoliană) sau în momentele de exces de energie în reţelele de distribuţie. Dacă energia electrică folosită la electroliză provine din surse de energie regenerabilă, (solară, geotermală, vânt, valuri) hidrogenul se obţine fără emisii poluante. Utilizarea hidrogenului în pilele de combustie presupune fie transportul și stocarea acestuia la locul pilei, fie producerea acestuia în zona de utilizare. Randamentul Pilelor de Combustie Reacția de bază într-o pilă de combustie este oxidarea unui combustibil, așa cum în pilele convenționale primare are loc oxidarea unui metal. Randamentul pilelor de combustie este superior turbogeneratoarelor din centralele electrice actuale deoarece entalpia de reacție este convertită direct în energie electrică, cu excepția unui termen entropic. Valoarea teoretică a randamentului izoterm (ηiz) este superioară ciclului Carnout: ηiz = Wmax/ΔH = ΔG/ΔH = 1 – TΔS/ΔH (3.1) unde W max este energia electrică maximă. Randamentul izotermic al reacțiilor care au loc în pilele de combustie poate atinge si depăsi, în mod teoretic, 80%. Randamentul electric (ηel) al pilelor de combustie se obține prin raportarea energiei electrice obținute (W el) la entalpia de reacție ηel = Wel/ ΔH = Wel/Wmax = E/Emax ηiz (3.2)
- 6. 6 unde E este tensiunea electromotoare în sarcină, iar Emax este cea corespunzatoare si tensiunile în situația când apa rezultată din reacție se prezintă sub formă lichidă sau gazoasă . Randamentul izoterm al pilelor de combustie depinde, asa cum se constată din relatia 3.1, de mărimea entropiei de rcacție care, atunci când este pozitivă implică randamente mai mari decât unitatea, deoarece se preia o parte din căldura mediului. Acest fenomen se întâlnește în situații experimentale si nu prezintă interes practic. Se pot constata, la restul reacțiilor, randamente teoretice foarte mari care depășesc cu mult randamentul teoretic al ciclulul Carnot de 30-50%. Totuși, în mod practic, datorită polarizării interne a pilei, căderilor de tensiune etc. se obțin randamente de 50-60% care sunt destul de mari, față de alte procedee practice de conversie. Aplicaţii industriale ale pilelor de combustie Pilele de combustie au fost dezvoltate și utilizate mult timp în programele spaţiale ca surse de energie si apă potabilă pentru astronauţi. În ultimul deceniu aplicaţiile pilelor de combustie s-au extins și la nivel terestru în domeniul propulsării automobilelor și al producerii de energie electrică în centrale staţionare sau portabile. Randamenul mare în producţia de energie electrică și nivelul foarte redus al emisiilor poluante în comparaţie cu sistemele clasice bazate pe arderea combustibililor fosili, fac din pilele de combustie una din soluţiile alternative, fezabile, pentru producţia de energie ―curată‖ în viitor. La aceste avantaje se adaugă timpul mare de exploatare și întreţinerea cu costuri reduse deoarece nu există dispozitive în mișcare. Pilele de combustie încep să devină o alternativă pentru consumul de energie electrică din zonele rurale, zonele izolate, eliminând reţelele de distribuţie clasice. Un domeniu de utilizare promiţător este realizarea autovehiculelor cu nivel de emisii ―zero‖. Folosirea pilelor de combustie alimentate cu combustibili (hidrogen, benzină sau metanol) pe infrastructura automobilelor clasice asigură un avantaj substantial faţă de utilizarea bateriilor de acumulatori care necesită câteva ore pentru reîncărcare. Rezervorul de hidrogen lichid sau gaz, sau de carburant (benzină sau metanol) asigură o autonomie de rulare de cca 500km.
- 7. 7 În anul 1993, Firma Ballard a pus în circulaţie un autobuz care foloseste un system de pile format din 21 de module cu o putere de 5 kW, alimentate cu H2 și aer, iar în anul 1995 un alt tip de autobuz alimentat cu o pilă de 250 kW. Performaţele autobuzelor cu pile sunt asemănătoare cu cele în varianta Diesel clasică. În Germania, Daimler Benz a prezentat în 1999 un autovehicul Mercedez A classe echipat cu o pilă alimentată cu H2 obţinut prin reformarea metanolului, cu o autonomie de 400 km la un consum de 38 l CH3OH. În Franţa, firma Fever împreună cu Renault si alţi colaboratori au pus în circulaţie un Renault Laguna echipat cu o pilă de combustie de 30 kW alimentată cu H2 stocat în rezervoare criogenice. Autonomia de mers este de 500 km la o viteză de 120 km/h si un consum de 8 l de H2 lichid. În Japonia firmele Toyota si Mazda au realizat un automobil 4x4 care atinge o viteză de 125 km/h, echipat cu o pilă de 25 kW alimentată cu H2 produs prin reformarea metanolului. USA are în dezvoltare un proiect original al firmei Khrysler care utilizează pentru obţinerea hidrogenului un sistem de oxidare parţială a benzinei. BIBLIOGRAFIE: 1. Pile de combustie, S Muscalu, V. Platon, Editura Tehnică, 1989 2. Chimie fizică generală 3. http://www.referateok.ro/referate/749_1259325944.pdf