Pile de Combustie

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:

1. Oxidarea hidrogenului la anod; 2H2(g) →4 H+ + 4e-
2. 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 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 0C, 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.