fileO1294048507file4d219cfb0269a

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

1/92

1

POLITEHNICA UNIVERSITY OF TIMIOARA DEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING

Cuprins1.Pile de combustie. Generaliti2.Principiul de funcionare al unei pile de combustie3.Tipuri de pile de combustie4. Combustibilul utilizat n pilele de combustie5. tocarea !idro"enului#. Producerea !idro"enului

$. Pile de combustie cu con%ersie direct&. 'plicaii industriale ale pilelor de combustie(. 'plicaii ale !idro"enului

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

2/92

2


1.GeneralitiPilele de combustie sunt "eneratoareelectroc!imice capabile s con%erteasc continuuener"ia c!imic a unui combustibil n ener"ieelectric )i termic n absena unei reacii decombustie direct.Con%ersia ener"iei c!imice n ener"ie electric serealizeaza pe baza unor reacii electroc!imice deo*idare care au loc n prezena unui combustibil"azos la anod )i de reducere n prezena unuio*idant +o*i"enul din aer, la catod.-zual se utilizeaz drept combustibil !idro"enuldar se mai pot folosii/ "aze naturale o*id decarbon )i metanol.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

3/92

3

0andamentul pilelor de combustieteoretic apropiat de unitate este de 23 ori mai mare dect cel corespunztormotoarelor termice clasice mai multfuncionarea lor este silenioas )ifoarte puin poluant.

ac se folose)te !idro"enul dreptcombustibil apa constituie sin"uraemisie care rezult la e*ploatarea pilei.

POLITEHNICA UNIVERSITY OF TIMIOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

4/92

4


e)i prima pil de combustie a fostin%entat n 1&3( de . 0. Gro e e%oluia

acetor dispoziti%e a luat amploare dup anul1(#6 ca urmare a dez%oltrii pro"ramelorspaiale )i mai ales dup 1(&6 c7nd s auimpus pro"rame de realizare a te!nolo"iilor

8curate9 n producerea ener"iei + inclusi%cea electric, precum )i utilizarea pilelor decombustie n acionarea auto%e!iculelor.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

5/92

5


2.Principiul de funcionare al unei pile de combustie

H2

Aer

Aer O2

H2 O +

H +

H +

H +H +H +

H +

H +H +

H +

H +

1/2 O2

1/2 O21/2 O21/2 O2

1/2 O2

1/2 O2

1/2 O2

e -

Membrana

Anod Catod

: pil de combustie const din/; anod alimentat cu combustibil+

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

6/92

#


c!ema unei pile de combustie < 2 >: 2 cu membranpolimeric utilizat n pro"ramul spaial Gemini

'ceasta secompune dinelectrozi de Ti cucatalizator de Pt+1, membransc!imbtoare deioni +2, )i me) +3,pentru meninereacotei de ap n

membranasc!imbtoare de

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

7/92

$


0eaciile electroc!imice care au loc sunt constituitedin dou reacii distincte/:*idarea !idro"enului la anod

0educerea o*i"enului la catod

0eacia "lobal care are loc n pil este/

++ e H g H 44)(2 2

)(244)( 22 l O H e H g O ++ +

)()()(2 222 l O H g O g H +

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

8/92

&


?a temperaturi mici reaciile menionate sunt foartelente mai ales cea de reducere a o*i"enului.

Pentru intensi@carea reaciilor n componena celordoi electrozi trebuie inclus )i un catalizator uzual pebaz de platin.

Teoretic pila de combustie continu s produc

ener"ie electric at7t timp c7t combustibilul +

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

9/92

(


pre e*emplu electroliii de tip polimeri solizi sau soluiiapoase pot @ utilizai numai pentru pile carefuncioneaz la temperaturi sub 266 C deorece la

temperaturi mai mari se de"radeaz rapid. e"radarea anodului const n reducerea sprafeei

poroase )i a "radului de dispersie a catalizatoruluiasociate cu diminuarea "radului de ionizare a!idro"enului .:*izii de carbon +C: )i C: 2, prezeni n combustibil sunta"eni distru"tori pentru catalizatorul anodic deoarecese absorb mpreun +la concuren, cu < 2 diminu7nd"radul de ionizare al acestuia.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

10/92

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

11/92

11


a, Pile cu electrolit alcalin AFC + 'l aline Duel Cells,

b, Pile cu electrolit acid fosforic F PAFC +P!osp!orus'cid Duel Cells,

c, Pile cu electrolit de tip polimeri solizi F PEMFC+Pol mer =lectrol te Hembrane Duel Cells,

d, Pile cu electrolit carbonai topii +lic!e@ai, MCFC +Holten Carbonate Duel Cells,

e, Pile cu electrolii o*izi solizi F SOFC + olid :*idesDuel Cells,.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

12/92


a, Pile cu electrolit alcalin AFC + 'l aline Duel Cells, electrolit soluii apoase de I:< +!idro*id

de potasiu, impre"nat ntr o matrice deazbest sau o*izi metalici

electrocatalizatori se folosesc Ji '"o*izi metalici )i metale nobile spredeosebire de electrozii de platin folosiila maKoritatea celorlalte tipuri de pile

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

13/92


utilizarea electrozilor nonplatinici esteposibil datorit %itezei mari a reaciei dereducere a o*i"enului n pilele cu electroliialcalini fa de cele cu electrolii aciziprezena C: 2 n Lu*ul de combustibildiminueaz performaele pilelor alcalinedeoarece formeaz cu electrolitul carbonai care astup +ocup, porii electrodului mpiedic7nd deplasarea ionilor

Temperatur de funcionare/ (6 166MC

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

14/92

14


0eacii c!imice

'nod

++ eO H OH g H 22)(2)( 22

Catod

++ )(22)(21

22 OH eO H g O

Pil/)()(

21

)( 222 l O H g O g H +

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

15/92

15


b, Pile cu electrolit acid fosforic +PAFC ,+P!osp!orus 'cid Duel Cells,

; electrolitul utilizat este acidul fosforic lic!idimpre"nat ntr o matrice de platin

; electrozi sunt realizai din crbune poros !7rtiecarbonic sau carbur de siliciu

; catalizatorul este pe baz de platin

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

16/92

1#


;

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

17/92

1$


0eacii c!imice

'nod

Catod

Pil/)()(

21

)( 222 l O H g O g H +

+ + e H g H 22)(2

O H e H g O 22 22)(21

++ +

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

18/92

1&


; Pilele de tip P'DC sunt deKa utilizate ncentralele electrice de mare putere de 5 la

26H .; Temperatura mare de utilizare permite )i"enerarea de ener"ie termic n paralel cu ceaelectric la %alori ntre 56 1666I .

; Bn ultimii ani se testeaz astfel de pile )i nacionarea auto%e!iculelor. ; 0andamentul "lobal este de cca &6N din carecca 3$ 42 N corespunde con%ersiei n ener"ieelectric.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

19/92

1(


c, Pile cu electrolit de tip polimeri solizi FPEMFC+Pol mer =lectrol te Hembrane Duel Cells,

=lectrolitul este o substan capabil s sedisocieze n ioni n prezena apei astfel

nc7t soluia apoas s de%in conductorelectric.?a pilele de tip P=HDC electrolitul este unpolimer solid uzual denumit membranasemntor foliilor folosite pentru proteciaalimentelor.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

20/92

26


Grosimea membranei este cuprins ntre56 1$5 microni.

Pe durata funcionrii membrana trebuies @e !idratat.

Bn prezena apei membrana adsoarbeionii ne"ati%i care ram7n le"ai nstructura acesteia n timp ce ionii poziti%ise pot deplasa ntre anod )i catod.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

21/92

21


; Pentru membranele pe baz de polimeriionii poziti%i sunt ionii de !idro"en sauprotonii din care cauz pila estecunoscut )i sub denumirea de P=H+Proton =*c!an"e Hembrane,.

; eplasarea ionilor

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

22/92

22


; Hembrana trebuie s @e un foarte bunseparator ntre combustibil )i aer e%it7nd

amestecarea lor urmat de combustie deasemenea trebuie s @e un bun izolatorelectric pentru a impiedica deplasareaelectronilor prin electrolit. ; =lectronii formai la unul din electrozi sedeplaseaz spre cellat electrod princircuitul electric e*tern realiz7nd curentulelectric.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

23/92

23


Polimerul acid perLuorosulfonic +denumire industrial J'DA:J, este

membrana electrolit cea mai utilizat n pilele de combustie P=HDC.

tructura sa apropiat de cea ateLonului i confer rezistenmecanic )i c!imic mare.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

24/92

24


'nionii : 3 sunt imobili rm7n7ndpermanent ata)ai de lanurile lateraleale polimerului.C7nd membrana este saturat cu apionii

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

25/92

25


unt cunoscute )i alte tipuri demembrane realizate prin introducereaunor "rupe ionice +de re"ul sulfonice,

n structura unui polimer or"anic stabil+teLon sau poliamide, prin reacii decopolimerizare sau policondensare/

Hembrane polisulfonicePoliLorostiren sulfonat +membraneRallard,

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

26/92

2#


=lectrozii sunt conductori electriciai cror electroni sunt sc!imbai ncursul reaciei electroc!imice careare loc n pil.?a interfaa electrozi membran+electolit, au loc cele dou reacii/o*idarea anodic a !idro"enului )ireducerea catodic a o*i"enului.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

27/92

2$


eoarece cele dou reacii sunt lente latemperatura de &6 C speci@c

eletroliilor tip polimeri or"anici estenecesar folosirea catalizatorilor at7t laanod c7t )i la catod.

Pentru pilele P=HDC catalizatorul celmai bun este platina.

Temperatur de funcionare/ #6 166MC

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

28/92

2&


0eacii c!imice?a anod !idro"enul se adsoarbe disociati% de catalizatoruldin Pt form7nd iniial le"turi de c!emosorbie/

Bn continuare le"tura de c!emosorbie se rupe )i seelibereaz atomul de < disociat sub form de proton +

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

29/92

2(


Pila de combustie cu electrozi din platin pesuport de crbune poros.

anod catod

membrana(electrolit)

carbonplatinaH +

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

30/92

36


Pentru reacia de reducere a o*i"enuluiPt este cel mai bun catalizator latemperaturi mici +&6 C, dar c!iar naceste condiii reducerea : 2 este de cca166 ori mai lent dec7t o*idarea < 2.Pentru cre)terea e@cienei catalizatorului)i implicit a pilei de combustie estenecesar folosirea unor electrozi cusuprafa speci@c c7t mai mare pe carePt s @e dispersat n loca)e cudiametrul c7t mai mic.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

31/92

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

32/92

32


; Cre)terea suprafeei speci@ce a electrodului +C,)i a "radului de dispersie a Pt reprezint una din

cile principale pentru cre)terea Lu*ului deelectroni +curent electric, n pil.

; : alt cale este controlul cantitii de apadau"at electrolitului. ; 'pa este de fapt unul )i n multe cazurisin"urul produs rezultat din reacia electroc!imic care este eliminat continuu de la catod o

dat cu aerul n e*ces.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

33/92

33


; Totu)i se adau" ap pentru a asi"ura!idratarea membranei astfel ca ea s asi"ure

circulaia rapid a ionilor de

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

34/92

34


An %iitor se caut catalizatori capabili s rezistela impuriti +C: C: 2 ).a., s intensi@ce maimult reacia de reducere a o*i"enului )i s costemai puin.

=lementul de pil ansamblul electroziFelectrolitse poate realiza n diferite %ariante. Cea mai desfolosit metod const n urmtoarele etape/materialul catalitic este realizat n forma unei

suspensii coloidale asemntoare cerneliitipo"ra@ce.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

35/92

35


Aniial Pt este dispersat pe pulbere de carbonporos prin impre"nare astfel nc7t s se realizeze"radul de ncrcare dorit.

Coninutul de Pt a scazut de la 4m">cm2membran n pilele folosite pentru pro"ramulspatial Gemini la 6 5m">cm2 n prezent cu

perspecti%e de reducere la 6 15 m">cm2 n %iitor. 'ceast scdere este nsoit de o cre)tere a

intensitii curentului produs de la 6 5 amperi>m"Pt la 15 amperi>m" Pt.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

36/92

3#


electrolitul solid se solubilizez n alcool )i se aplicpe o suprafa plan la "rosimea corespunzatoaredup care se usuc.

uspensia de catalizator )i carbon se aplicasemntor %opselei pe una din suprafeelemembranei solide dup care se usuc prin

nclzire. e ntoarce membrana )i se aplica )i al doilea strat

de catalizator n acela)i mod.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

37/92

3$


up uscare ansamblul electrozi electrolit seimerseaz din nou n apa pentru !idratareamembranei. Grosimea stratului de electrod depinde de

ncrcrea cu Pt a acestuia. Pentru o ncarcare de6 15 m">cm2 "rosimea electrozilor este de 16microni.

-n astfel de element de pil de combustie cu o"rosime de cca 6 2 mm "enereaz un curentelectric de cca 6 5'>cm2 membran la o diferen

de tensiune ntre electrozi de 6 $ %oli.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

38/92

3&


=lementul de pil +electrozi electrolit, esteintrodus ntre dou plci metalice sau din "ra@tcare au ca scop diriKarea Lu*urilor de combustibil

)i aer )i colectarea curentului electric.Bn partea interioar a plcilor sunt practicatecanale pentru diriKarea "azelor spre electrozi.

'd7ncimea canalelor )i orientarea lor determine@ciena distribuiei combustibilului a aerului )ie%acuarea apei.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

39/92

3(


Bntre plci )i electrozi se introduce un strat de difuzieformat dintr un suport poros din carbon sau !7rtiecarbonic poroas cu "rosimea de 166 366 microni.

Jatura poroas a suportului permite difuziareacti%ilor "azo)i spre )i dinspre electrozi astfel nc7tace)tia s @e n contact cu toat suprafaaelectrozilor +catalizatori,.

e asemenea suportul poros trebuie s asi"ure

circulaia apei pentru !idratarea membranei )ieliminarea apei formate la catod n urma reacieielectroc!imice.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

40/92

46


eciune printr un element de pil de combustie.

difuzie gaze electrozi

membranaelectrolit

strat dedifuzie

strat dedifuzie

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

41/92

41


=@ciena con%ersiei nener"ie electric%ariaz funcie dedensitatea curentuluirealizat pe unitatea desuprafa demembran conform"ra@cului alturat.Pe l7n" ener"ia

electric pila decombustie elibereaz)i ener"ie termic.

0 200 400 600 800 1000 12000

200

400

600

800

1000

1200

T e n s i u n e , m

V

Densitatea curentului, mA/cm2

ependena tensiune densitatecurent pentru o pil cu !idro"entip P=HDC

Enegie chimic = Energie electric + Energietermic

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

42/92

42


d, Pile cu electrolii tip carbonai topii ( MCFC )- +Holten Carbonate Duel Cells,

'ceste pile funcioneaz la temperaturi mari cuprinse ntre #66 )i 1666 C.=lectrolitul utilizat este un amestec de carbonaialcalini ntr o matrice ceramic de ?i'l:2 +o*id delitiu )i aluminiu, care la temperatura de funcionare

se topesc de%enind conductori de ioni.=lectrozii care sunt n acela)i timp )i catalizatorisunt pe baz de o*id de Ji combinat cu Cr la anod )iJi: +o*id de nic!el, la catod.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

43/92


Catalizatorii sunt deteriorai prin depuneri demetale alcaline care bloc!eaz centrele dereacie sau prin aciunea direct a unor a"enidistru"tori din "azul combustibil.0andamentul n ener"ie electric pentru pileleHCDC este de cca #6N dar adau"7nd )iener"ia termic recuperat se aKun"e la unrandament "lobal de cca &5N cu mult mai

mare dec7t la celelalte pile care funcioneazla temperaturi mai mici.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

44/92


Con%enional pilele HCDC folosesc drept combustibil!idro"enul obinut prin reformare e*tern din fraciipetroliere. atorit temperaturii mari de operareeste posibil dez%oltarea de te!nolo"ii care sfolosesac ca surs de

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

45/92


Catalizatorul menionat catalizeaz at7treacia de reformare +C< 4 O < 2: S C:O 3< 2, c7t )i reacia de o*idare a!idro"enului la anodul pilei.=ner"ia necesar reaciei endoterme dereformare este asi"urat de ener"ia termicdez%oltat n pil. Pilele HCDC se utilizez

pentru producerea ener"iei electrice ncentrale de 5 p7n la 56 H .

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

46/92

4#


e, Pile cu electrolii tip o*izi solizi + :DC , olid :*ides Duel Cells,.

Pilele de tip :DC functioneaza la temperaturimari uzual n Kur de 1666 C.'t7t electrozii c7t )i electrolitul sunt solizielimin7nd n totalitate posibilitatea ptrunderiielectrolitului n structura poroas a electrozilor. Temperatura mare de funcionare limiteazmult materialele utilizate pentru elementelepilei.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

47/92

4$


Cercetrile din ultimi ani au fost focalizate nrealizarea unei pile de form tubular const7nddintr un suport ceramic poros tubular

nconKurat de anod electrolit )i catod.Dorma tubular asi"ur o mai bun etan)arepentru circuitul de "aze dec7t formele plane.'nodul este realizat din Ji metalic cu o*id de

triu + 2: 3, stabilizat cu Ur: 2 +o*id de zirconiu,catodul este pe baz de pero*izi de tipul?a1 * r*Hn: 3 +man"anit de lantan dopatcu troniu,.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

48/92

4&


'nodul )i catodul au structuri poroase pentru apermite difuzia combustibilului +!idro"enul, )i aproduselor de reacie.

=lectrolitul este bio*idul de zirconiu +Ur: 2,stabilizat cu triu deorece triu are conducti%itateanionic mare n domeniul presiunilor pariale deo*i"en reduse.

Prezena mono*idului de carbon n combustibil nueste limitat deoarece la r7ndul lui C: poate dao reacie electroc!imic de o*idare la anod.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

49/92

4(


0eacii c!imice

'nod

Catod

Pil/

)()(21

)( 222 l O H g O g H +

++

eO H O g H 2)( 22

2

+ 2

2 2)(

2

1Oe g O

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

50/92

56


Prezena mono*idului de carbon n combustibil+C:, poate da o reacie electroc!imic deo*idare la anod de tipul/

++ e g COO g CO 2)()( 22

2

=lementele de pil se lea" ntre ele prin cromit

de lantan dopat cu H" +?a Cr1 *H"*: 3, careeste impenetrabil pentru "aze dar n acela)itimp un foarte bun conductor electric.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

51/92

51


; Temperatura mare de funcionare permite obinerea!idro"enului prin 8transformare intern9 din metansau alte !idrocarburi.

; 'daosul de ceriu n componena anodului permitetransformarea C< 4 n < 2 la temperaturi mai mici fardepuneri de cocs +carbon, la anod.

; An 1(((>2666 cercettori de la -ni%ersit ofPenns l%ania au dez%oltat catalizatori pe baz deo*izi de Cu )i Ce capabili s o*ideze direct!idrocarburile la anod far reacie intermediar detransformare.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

52/92

52


eoarece C< 4 este mai di@cil de acti%at dec7t< 2 cantitatea de ener"ia electric produs npilele cu metan este mai mic.

0andamentul n producerea de ener"ie elctricpentru o pil :DC este de cca. 56N iar mpreun cu recuperarea de ener"ie termicpoate aKun"e la cca &6 &5 N.

Bn anii 2662 2664 compania etin"!ause alansat pe pia primele pile :DC pentruproducerea ener"iei electrice n centrale cuputeri de 256 p7n la 1 H .

POLITEHNICA UNIVERSITY OF TIMIOARA

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

53/92

53


4. Combustibilul utilizat n pilele de combustie

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

54/92

54


in ap =lectroliza apei Dotoelectroliza escompunerea termic Dermentarea )i fotosinteza biolo"ic

'lte surse Gazei@carea crbunilor sau a de)eurilor solide

Gazei@carea biomasei escompunerea metanolului a amoniaculuisau a apei

Pile de combustie re"enerabile

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

55/92

55


Bn prezent fabricarea !idro"enului n cantiti mari serealizeaz pornind de la combustibilii fosili

esulfurizare !rocesprimar

"eactia#$ift

O%idareselecti&a

"ecuperarecaldura

!ila decombustie

Curent

Apa"ezer&or stocare

'ratareapaenerator abur

CH%

Abur

!"OC # !"*MA"

"eformarecatalitica

"eformareautoterma

O%idare partiala

c!ema de proces pentru obinerea !idro"enului din combustibili fosiliDolosirea surselor bazate pe combustibili fosili"enereaz C: 2 care trebuie reinut @e prindi%erse utilizari @e prin plasare n depozites eciale.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

56/92

5#


; Varianta folosirii electrolizei pentru obinerea< 2 de%ine atracti% n msura n care ener"iaelectric pro%ine din surse economice +ener"ienuclear ener"ie solar sau eolian, sau nmomentele de e*ces de ener"ie la furnizori.; ac ener"ia electric folosit la electrolizpro%ine din surse de ener"ie re"enerabil+solar "eotermal %7nt %aluri, !idro"enul seobine far emisii poluante.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

57/92

5$


5. tocarea !idro"enuluiPrincipalele metode de stocare a !ido"enului sunt/

n stare gazoas sub presiune / n depozitesubterane butelii de 56 l la presiune de 266 barsau n rezer%oare sferice de mare presiunerezer%oare cilindrice din materiale compozite )icilindri de 'l inf)urati n @bre de sticl saucarbon la presiune W356 bar +$66,.Costurile de depozitare sunt mai mari datoritcompresiei iar %iteza de umplere este mic.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

58/92

5&


n stare lichid la temperatur de 26I +253 C, cu consum mare de ener"ie +& 5

!> " p7n la 136 !> ",. 0cireama"netocaloric reduce consumul la 5

!> ".'mbele %ariante necesit izolarea rezer%orului.Pierderile prin e%aporare X 3N de%innesemni@cati%e dac utilizarea este intensi%.Comparati% cu stocarea sub presiune lic!e@erea

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

59/92

5(


Sub forma de hidruri metalice reversibile /!idro"enul se combin cu metale form7nd !idruri +DeTi?aJi 5, la sau sub presiunea atmosferic la temperaturamediului inconKurtor. Capacitatea de stocare este de 2 $ N.Pentru a intensi@ca adsorbia s au realizat !idruri de marecapacitate cu catalizator de Uirconiu care asi"ur ocapacitate de stocare de 5N.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

60/92


#. Producerea !idro"enuluia,

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

61/92

#1


b,

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

62/92

#2


i@cultile de depozitare mai ales n cazulutilizrii pilelor de combustie n propulsareaauto%e!iculelor impun producerea acestuia prin

te!nolo"ii de formare cu %apori de ap sau o*idareparial a !idrocarburilor )i alcoolilor inferiori.Pentru %e!iculele electrice uzual se folose)teformarea cu %apori de ap a alcoolilor inferiori+C

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

63/92

#3


Combinarea metanolului cu abur are la bazreacia ntre abur )i metanol la 266 C dincare se produce < 2 C: 2 C: )i e*ces de abur.

'mestecul de reacie de la combinare estetrecut n alt sistem de reacie pentrucon%ersia catalitic a C: cu ap la C: 2 )i < 2)i n continuare prin al treilea reactor pentruo*idarea selecti%a pe catalizatori de Pt a C:la C: 2.'mestecul @nal de "aze conine $6N < 2 24N C: 2 #N J 2 )i urme de C:.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

64/92

#4


CH OH

metanol

aer

"acitor cu aer

!ompa racire

Hidrogen (H 2 )

'urbinaaer

!ila decombustie

aer

apa produsa

in pilaH2 O

,aporizator

"eformer

aer

0 2CO 2

!urificaregaze

CH OH

Pil de combustie cu !idro"en "enerat prin reformarea metanolului

Pentru o*idare pariallic!idul +benzina, este mai

nt7i %aporizat

Vaporii sunt aprin)i )i o*idai

cu aer insu@cient la cca1666 C produc7nd < 2 C:C: 2.

'mestecul rezultat dupo*idarea parial este trecutprin reactorul de con%ersiecatalitic cu ap a C: la C: 2 )iprin cel de o*idare selecti% aC: la C: 2.

Gazul @nal care rezultconine 42N J 2 3& N

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

65/92

#5


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

66/92

##


$. Pile de combustie cu con%ersie direct'u fost dez%oltate )i pile care utilizeaz drept

combustibil !idrocarburi sau metanol farcon%ertirea lor intermediar n

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

67/92

#$


Hetanolul este o*idat la anod iar o*i"enul dinaer este redus la catod dup urmtoarelereacii electroc!imice/

'nod +!idro*id de metil,/

Catod

Pila

+ +++ e H COO H OH CH 66223

O H e H O 22 3662

3++

+

O H COOOH CH 2223 323

++

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

68/92

#&


; =@ciena pilelor cu con%ersia direct ametanolului este mai mic dec7t cea a pilelorcu < 2.; Pentru a mri randamentul acestor pile estenecesar s creasc cantitatea de Pt depus peanod.; =misiile de C: 2 constituie de asemenea undeza%antaK pentru acest tip de pile.

; =liminarea rezer%orului de < 2 )i +sau, asistemului costisitor de reformare constituiepremise atracti%e pentru utilizarea pilelor cucombustia direct a metanolului.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

69/92

#(


&. 'plicaii industriale ale pilelor decombustie; Pilele de combustie au fost dez%oltate )i utilizate

mult timp n pro"ramele spaiale +militar, ca

surse de ener"ie )i ap potabil pentruastronaui. ; Bn ultimul deceniu aplicaiile pilelor decombustie s au e*tins )i la ni%el ci%il n domeniulpropulsrii automobilelor )i al producerii deener"ie electric n centrale staionare sauportabile.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

70/92

$6


a, Producia de ener"ie electric; 0andamenul mare n producia de ener"ieelectric )i ni%elul foarte redus al emisiilorpoluante n comparaie cu sistemele clasicebazate pe arderea combustibililor fosili fac dinpilele de combustie una din soluiile alternati%efezabile pentru producia de ener"ie 8curat9 n%iitor.

; ?a aceste a%antaKe se adau" timpul mare dee*ploatare )i intreinerea cu costuri redusedeoarece nu e*ist dispoziti%e n mi)care.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

71/92

$1


0

20

40

60

80

00

30 200 200000!"

E # i

c i e

n t a

$ %

&ur'ine cu a'ur

(i)el

Pile tip PE*+C

Pile tip ,O+C

&ur'ine ceramice

=@ciena unor sisteme de producie a ener"iei electrice

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

72/92

$2


An domeniul produciei de ener"ie sunt deKa ne*ploatare peste 266 pile cu electrolit acidfosforic +P'DC, cu o putere de 266I @ecareiar pentru urmtorii ani sunt deKa lansateproiecte pentru centrale electrice cu puteri de5 25H .Pilele de combustie ncep s de%in oalternati% pentru consumul de ener"ieelectric din zonele rurale zonele izolate

elimin7nd reelele de distribuie clasice.Combustibilul pentru pile poate @ metanul dinreelele de "aze naturale sau metanolulobinut prin fermentare din biomasa e*istent

n zona de utilizare.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

73/92

$3


Pentru utiliti casnice au fost dez%oltatepile cu electrolit pe baz de membrane depolimeri +P=HDC, de dimensiuni mici cu

putere de p7n la 2 5 I pentru carecostul de fabricare este competiti% cu celpentru alimentarea clasic cu ener"ieelectric.

b, 'cionarea auto%e!icolelor-n domeniu de utilizare promitor esterealizarea auto%e!iculelor cu ni%el deemisii 8zero9.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

74/92

$4


Dolosirea pilelor de combustie alimentate cucombustibili +!idro"en benzin sau metanol,pe infrastructura automobilelor clasice asi"ur

un a%antaK substantial fa de utilizareabateriilor de acumulatori care necesit c7te%aore pentru rencrcare.0ezer%orul de !idro"en lic!id sau "az sau de

carburant +benzin sau metanol, asi"ur oautonomie de rulare de cca 566 m.Pilele folosite n aceste aplicaii sunt de tipP=HDC )i P'DC.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

75/92

$5


RH !.

< dro"en $ al aceleia)i @rme este construit cuun motor de 2#6 22( m>! )i 6 166 m>!in (.5 sec. Cu posibilitate dubl de alimentarebenzin )i !idro"en.

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

76/92

$#


Pilele P=HDC prezint urmatoarele a%antaKe care lerecomanda/

densitate de putere mare +6 5 >cm2electrolit,

randament termodinamic mare +cca $6N, electrolit solid compact )i lipsit de aciune

corozi% demaraK rapid la temperaturi cobor7te.

Ancon%enientul maKor pentru moment este costulrelati% ridicat de cca 1$56 >I din care 56N re%ineplcii bipolare 35N electolitului )i 15N catalizatorului+Pt,


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

77/92

$$

DEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING

Bn prezent @rmele cele mai a%ansate n aplicareapilelor de combustie P=HDC la auto%e!iculeleelectrice sunt/ Rallard Po er stems Anc. dinCanada )i e Jora din Atalia.

Bn anul 1((3 Dirma Rallard a pus n circulaie unautobuz care folose)te un sistem de pile formatdin 21 de module cu o putere de 5 alimentate cu < 2 )i aer iar n anul 1((5 un alt tipde autobuz alimentat cu o pil de 256 .Performaele autobuzelor cu pile suntasemntoare cu cele n %arianta iesel clasic.


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

78/92

$&


Bn Germania aimler Renz a prezentat n 1(((un auto%e!icul Hercedez ' classe ec!ipat cu opil alimentat cu < 2 obinut prin reformarea

metanolului cu o autonomie de 466 m la unconsum de 3& l C< 3:

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

79/92


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

80/92

&6


3$ autobuse fabricate de @rma HercedesRenz sunt n e*ploatare n ( ora)e

europene n cadrul proiectului Clean-rban Transport for =urope26 autoturisme tip ! )i o putere de &6 +16$CP,


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

81/92

&1


Dirma Roein" are un proiect de utilizare a!idro"enului stocat sub form "azoas pentrupile de combustie ce produc ener"ia electricnecesar acionrii electromotorului a%ionului.

(. -tilizarea !idro"enuluia, Producerea reaciei de fuziune

Bn proiectul [=T cu aKutorul camerei toroidale

To ama s a realizat la ( noiembrie 1((1 primareacie de fuziune cu un amestec de /14deuterium tritium iar n anul 1((& s a atins un%7rf de 1#H pe o durat mai scurt de osecund.


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

82/92

&2


AT=0 constituie un proiect mai e%oluat care afost lansat n 21 moiembrie 266# cu semnareatratatului de colaborare ntre $ state industriale

pentru realizare primului reactor de test.'cest reactor este proiectat s produc 566Hpe o durat continu de 566 secunde arz7nd unamestec de circa 6.5" O T n spaiul de X&46m3 al camerei reactorului.

Primele rezultate sunt a)teptate pentru anul261#. Continuare acestui proiect n caz desuccess %a @ un reactor de 3666 4666H


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

83/92

&3


b, Haterie prim n procesul de reducere aminereurilor

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

84/92


c, Haterie prim n procesul de fabricare aamoniaculuiBn procedeul

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

85/92

&5


d, Producere de "rsimiPrin !idro"enare n uleiurile %e"etale sesatureaz le"turile duble din moleculeleacizilor "ra)i cu !idro"en.Procesul are loc n prezenacatalizatorului din nic!el la 126 1&6 MC )io presiune de # $bar.

Holeculele rezultate au un punct detopire mai nalt )i ca urmare produsulrezultat +mar"arina, de%ine consistentla temperatura camerei.


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

86/92


e, '"ent de rcireatotit capacitii termice mari !idro"enul

este utilizat n centrale )i instalaii industrialeca a"ent de rcire.

e obicei se utilizeaz

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

87/92

&$


f, Crio"enie

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

88/92

&&


", Gaz pentru scufundare la mare ad7ncimePrimele ncercri de utilizare a !idro"enului nscufundare ca nlocuitor al azotului )i !eliului au fost

efectuate de Harina Hilitar uedez.Bn anul 1(45 in"inerul suedez 'rne Uetterstr\m ain%esti"at pentru prima dat posibilitile de folosire aamestecului !idro"en o*i"en +

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

89/92

&(


up acest e%eniment tra"ic problemautilizrii !idro"enului n scufundare a rmas

n suspensie muli ani.

'bia n anul 1(#& francezii de la C:H=Y reiau ideea iniiind pro"ramul HYDRA carea culminat n anul 1((2 cu e*perimentuluman HYDRA X la $61 m ad7ncime.

'mestecul respirator utilizat a fost unamestec ternar numit

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

90/92

(6


Principalele moti%e pentru care s a impus canecesar utilizarea !idro"enului n realizareaamestecurilor respiratorii destinatete!nolo"iilor de scufundare sunt/!idro"enul este un "az u)orse "se)te din abunden n naturare capacitatea de a dilua o*i"enul pentru a lface respirabil n doze con%enabile.

up numeroase e*periene pe animale efectuate deRrauer n .-.'. :r!a"en n uedia )i ec!ipa condus de

7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

91/92

(1


-tilizarea !idro"enului ca diluant alo*i"enului n amestecuri respiratorii areo dubl perspecti%/ameliorarea compartimentuluiprofesional al inter%eniilor sub ap ntre366 )i 566 m ad7ncimeposibilitatea de a se atin"e pra"ul de$66 m ad7ncime n condiiile desecuritate confort )i e@cien pe carenici un alt "az nu le permite.


7/24/2019 fileO1294048507file4d219cfb0269a

92/92


fileO1294048507file4d219cfb0269a

Documents

Transcript of fileO1294048507file4d219cfb0269a