Pila de Combustie Cu Acid Fosforic

7/23/2019 Pila de Combustie Cu Acid Fosforic

http://slidepdf.com/reader/full/pila-de-combustie-cu-acid-fosforic 1/11

Introducere:

Pilele de combustie sunt clasificate in primul rand dupa tipul de electrolit pe care il

folosesc. Aceasta clasificare determica tipul reactilor chimice care au loc in pila, tipul

catalizatorului care este necesar, intervalul de temperatura in care pila functioneaza,

combustibilul necesar, si alti factori. Aceste caracteristici, la randul lor, influenteaza aplicatile

pentru care aceste pile sunt cele mai potrivite pentru a fi utilizate intr-un anumit caz. Sunt

cateva tipuri de pile care momentan sunt in stare de dezvoltare, fiecare cu propriile avantaje,

limitari, si potentiale aplicatii.

Pila de combustie pe baza de fosfor (PAFC):

Pilele de combustie pe baza de fosfor (PAFC) sunt un tip de celule de combustibil care

utilizeaza ca si electrolit acidul fosforic. lectrozii sunt alcatuiti din hartie de carbon acoperiti

cu un strat subtire de catalizator de platinum, ceea ce duce la un cost ridicat de fabricare a

acestora. le nu sunt afectate de impuritatile de mono!id de carbon din aburul de hidro"en.

Acidul fosforic se solidifica la o temperature de #$%C, facand pornirea dificila si impiedicand

PAFC in utilizarea operatilor continue.

&otusi, la o utilizare a lor la un interval de temperatura intre '$-$$%C, apa e!clusa poate

fi transformata in abur care poate fi utilizat pentru incalzirea aerului sau a apei. Pilele de

combustie pe baza de fosfor au fost utilizate pentru aplicatii stationare. Pilele de combustie pe baza de fosfor (PAFC), sunt considerate a fi *prima "eneratie+ de

pile de combustie moderne. Sunt cele mai vechi tipuri de pile care au fost utilizate la nivel

commercial. Acest tip de pile sunt utilizate in instalatile de "enerare stationara a ener"iei, dar

cateva PAFC-uri au fost utilizate chiar si la aplimentarea unor vehicole mari cum ar fi

autobusele.

PAFC-urile sunt mult mai tolerante la impuritatile din combustibilii fosili care au fost

transformate in hidro"en decat pilele P, care sunt usor *otravite+ de catre mono!idul de

carbon deoarece mono!idul de carbon se lea"a de catalizatorul de platina de la anod,

diminuand eficienta pilei. le au o eficienta de cand sunt utilizate pentru co-"enerarea de

ener"ie electrica si caldura, dar in cazul "enerarii doar de ener"ie electrica au o eficienta de

doar /0 - #. Aceata este doar un pic mai mare decat eficienta centralelor electrice bazate

doar pe ardere care este in jur de // - /. PAFC-urile sunt de asemenea mai putin puternice



decat alte pile care au aceasi "reutate si volum. Pilele de tip PAFC sunt deja utilizate in

centralele electrice de mare putere de la $1.

2andamentul "lobal de conversie electrica al unei pile de combustie este superior celui al

sistemelor cu motor termic.3 comparatie a randamentelor "lobale de conversie electrica este

redata in fi"ura de mai jos.

Pilele de combustie pe baza de fosfor si-au demonstrat utilizarea in mai multe cazuri la mai

multe cladiri comerciale. 4lobal, sunt peste #$ 1 in diferite cazuri si la diferite etape de

testare sau in fabricare, cele mai multe in intervalul de $ pana la $$ 51. &otusi, centralele

mari de ' 1 si 1 sunt de asemnea construite. Participantii majori in industrie in 6.S.

sunt 7nternational Fuel Cells Corporation, iar in 8aponia sunt Fuji lectric Corporation, &oshiba

si itsubishi lectric.

2eactile electrochimice care au loc in PAFC sunt9

- la anod9

: ; :< < e-

- la catod9

'=3 < :< < e- ; :3

- reactia "lobala a pilei9

l=3 < : ; :$



>e retinut ca pila functioneaza pe hidro"en, in timp ce C3 este considerat otrava cand are o

concentratie mai mare de $.. >aca este utilizat drept conbustibil o hidrocarbura cum ar fi

"azul natural, are loc reactile9

C:# < :3 ; /: < C3

C3 < :3 ; : < C3

Prezenta oricaror compusi de sulf in combustibil trebuiesc redusi pentru a putea fi utilizat

combustibilul la o concentratie ?$.'ppm. &otusi, pila de combustie poate tolera un ma!im de

compusi de sulf de $ppm. !ista o limita de concentratia de C3 in combustibil care este de

$..

&emperaturile de peste $$%C si concentratia acidului de '$$ :/P3# sunt utilizate in mod

current in timp ce presiunea de lucru a atins atm la o centrala electrica e!perimentala de ''

1.

lectrozii porosi utilizati in PAFC contin un amestec de electrocatalist pus peste carbon

ne"ru si o le"atura de polimer pentru a le"a particulele de carbon pentru a forma o structura

inte"rala. 6n substrat de hartie de carbon serveste ca suport pentru stratul electrocatalist si ca si

colector de current. Stuctura compozita continat carbon ne"ru = le"atura stratului pe hartia de

carbon formeaza o interfata in trei pasi, cu electrolitul pe o parte si "azelle reactante pe cealalta

parte a hartiei de carbon.

Sunt utilizate cateva modele de placi bipolare si "rupuri de componente. >e e!emplu, in

cazul placilor bipolare multicompenente, o placa impermeabila serveste la separarea "azelor de

reactie in celulele adiacente in cadrul "rupului, si placile separate poroase cu canale

directioneaza flu!ul de "aze. Structura poroasa permite patrunderea "azelor si de asemenea

asi"ura loc de depozitare pentru acidul aditional pentru a inlocui acidul pierdut prin evaporare

in timpul functionarii pilei.

Caldura "enerata in timpul functionarii pilei este evacuate fie prin fluidul de racire (lichid

sau aer), care este durijat prin canalele de racire din "rupul pilei. Pentru lichidul de racire sunt

necesare canale comple!e si conectiuni, dar se atin"e un mai bun transfer termic decat cel cu

aer. 2acirea cu aer are avantajul ca este simpla, fiabila si relative ieftina.

ficienta transformarii ener"iei din combustibil in electricitate in cazul PAFC este de obicei

cam #$ pana la #0 in cazul "azului natural.

Schema de principiu a unei pile de combustie pe baza de fosfor (PAFC)9



Ca si numele acestei pile, ea utilizeaza ca si electrolit acidul fosfatic. 7onii de hidro"en

incarcati pozitiv mi"reaza prin electrolit de la anod catre catod. lectronii "enerati la anod

mer" printr-un circuit e!tern, furnizand ener"ie electrica, iar apoi se intorc la catod. Acolo

electronii, ionii de hidro"en si o!i"enul formeaza apa, care este evacuate din pila. 6n

catalizator de platina la electrozi accelereaza reactile din pila.

6n avantaj al acestei pile este acela ca acidul fosfatic concentrat poate fi utilizat la o

temperatura mai mare decat cea de fierbere a apei, lucru care la alte tipuri de pile care au

nevoie de apa pentru conductivitate este limitat.

:idro"enul necesar combustibilului pilei este e!tras dintr-o hidrocarbura. >aca

hidrocarbura este "azolina, sulful trebuie sa fie inlaturat din combustibil sau va strica

electrodul catal@st.



Istoria pilelor de combustie pe baza de fosfor:

!perimentatorii au utilizat acizii ca si electrolit inca din timpul primei baterii cu "az a lui

1illiam 4rove in '# (el a utilizat acidul sulfuric). >ar acidul fosfatic, un conducator slab de

electricitate, nu a fost atata de atractiv, si PAFC-urile au fost dezvoltate mai "reu ca si alte

tipuri de pile. 7n 'B', 4.. lmore si :.A. &anner au dezvaluit noi promisiuni in cazul

acidului fosforic in lucrarea *7ntermediate &emperature Fuel Cells *. i descriau e!perimentul

ca utilizand un electrod cu / acid fosforic si B pulbere de siliciu inserat intr-o "arnitura

de teflon. *Spre deosebire de acidul sulfuric+, ei spuneau, *acidul fosfatic nu este redus

electrochimic in conditile de functionare a pilei.+ >e asemenea, PAFC-ul lor functiona cu aer,

in loc de o!i"en pur. *3 pila cu acid a functionat timp de B luni la o densitate de current de $

miliamperi pe centimetru patrat si $. v fara nici o deteriorare vizibila.+

7n anul '0 in Connecticut s-a construit o pila de combustie cu acid fosforic de #$D1. Ea

fata locului pilele de combustie ale centralei electrice contin / subsisteme majore, sau sectiuni.

7n sectiunea de procesare a combustibilului, "azul natural este transformat intr-un conbustibil

bo"at in hidro"en. Atunci el este introdus in sectiunea de putere, unde hidro"enul reactioneaza

electrochimic cu o!i"enul din aer pentru a produce current electric direct si caldura ca produs

secundar (in forma de apa calda sau abur).



!perimente cu electroliti de acid sulfuric au fost in 'B/ la California 2esearch

Corporation si la Surface Processes 2esearch and >evelopment Corporation. PAFC-urile sunt

aproape absente, totusi, din compilatia in doua volume a lui 4eor"e 8. oun" despre simfonia

pilelor de combustibil tinuta in ' si 'B'. Ea sfarsitul anilor 'B$ si '0$, au avut loc

pro"rese majore in materialele elctrozilor.

Ea mijlocul anilor 'B$, armata americana a e!plorat potentialul PAFC-urilor care

functionau pe *combustibil lo"istic+, insemnand ca unitatile aveau la dispozitie combustibilul.

Pentru testul pentru armata, o pila a fost produsa de Allis-Chalmers si a utilizat industiile

n"elhard pentru abur si un inverter electric de la aro.

Eucrul la 6nion Carbide de catre Darl Dordesch si 2.F. Scarr au dat un mic electrod facut

din *hartie de carbon ca substrat si un strat de carbon cu teflon ca sustinator al catalizatorului.+

6n parteneriat in industrie cunoscut la &7G&A, sau echipa a cercetarii avansate pentru

transformarea ener"iei din "az, de asemenea su sustinut o cercetare semnificativa.

Aplicatii ale PAFC:

Criza de ener"ie din '0$ au inspirat cercetatorii la laboratorul national Eos Alamos sa

inceapa studiul pilelor de combustie. Cu un scop asupra dezvoltarii vehicolelor electrice, ei au

realizat o masina de "olf actionata de pile de combustie cu acid fosforic.

7n anul 'B s-a realizat un autobus care functiona pe pile de combustie cu acid fosforic.

Acest autobus a fost dezvoltat de :. PoHer Corp. Iellevile, G8 de la departamentul de ener"ieca parte a proiectului autobusul pe pile de combustie. Pilele de combustie produceau

electricitate combinand atomii de hidro"en si o!@"en. >eoarece nu au avut parti in miscare,

produceau foarte putin z"omot sau chiar de loc. !ceptand apa, ele produceau emisii aproape

de zero si pot oferii aceleasi performante ca si un vehicol pe benzina sau motorina.



>epartamentul de Cercetare ol5sHa"en a realizat un nou tip de pile de combustie la

temperaturi inalte (:i"h &emperature Fuel Cell - :&FC), unic in lume in acest moment. Goul

sistem elimina numeroasele dezavantaje ale pilelor de combustie de temperaturi joase (E&FC),

deja cunoscute.

3 membrana rezistenta la temperaturi inalte si electrozi special conceputi pentru aceasta

membrana vor permite realizarea de sisteme de pile de combustie mai compacte, mai eficiente

si totodata mai ieftine. Astfel, punerea la punct definitiva a acestui tip de propulsie se apropie

vizibil. 7n orice caz, pro"nozele multor producatori referitoare la momentul cand pilele de

combustie ce folosesc hidro"enul vor fi "ata pentru productia de serie si vor fi disponibile pe

scara lar"a pentru aplicatii obisnuite au presupus amanari repetate, si asta din cauza sta"narii

cercetarilor.

ol5sHa"en a insistat insa pe acest aspect, proiectul evoluand semnificativ in cativa ani. 7n

' constructorul "erman demara cercetarile pentru a realiza o membrana rezistenta la

temperaturi inalte. >oi ani mai tarziu, se lua decizia de a lucra la dezvoltarea unor pile cu

combustibil de temperatura inalta, pornind de la aspectul de baza al membranei de temperatura

inalta. 7n $$/ specialistii de la ol5sHa"en au obtinut un succes notabil in realizarea de noi



membrane. >ar electrozii adaptati acestui re"im de utilizare inca nu fusesera realizati. &oamna

anului $$B, a coincis insa cu rezolvarea problemei electrozilor. 2ezultatele sunt cu adevarat

promitatoare. Conceptul de Pile de combustie de temperatura inalta sunt in faza de testare la

Centrul &ehnolo"ic ol5sHa"en din 7senbuttel, destinat in special cercetarii sistemelor

alternative de propulsie si aflat in apropiere de centrul administrativ "enenral ol5sHa"en din

1olfsbur".

iitorul suna promitator. 7n $'$ se spera ca alte noi sisteme, mai performante, cu pile de

combustie la temperaturi inalte vor fi in ultima faza de perfectionare si vor echipa primele

vehicule e!perimentale, premer"atoare industrializarii acestui tip de propulsie.

Jece ani mai tarziu, ar putea aparea primele modele ol5sHa"en propulsate cu pile de

combustie. Cu preturi accesibile acestea vor corespunde cu succes cerintelor le"ate de

utilizarea de zi cu zi.

Sistemul cu pile de combustie la temperaturi joase indica dezavantaje. embrana are de

suportat temperaturi in jurul a $ "rade C. >aca temperatura ar depasi acest nivel, mai intai ar

scadea performantele pilei cu combustibil respective, apoi s-ar produce avarii ireparabile ale

acesteia. >e aceea vehiculele e!perimentale bazate pe tehnica E&FC, pentru a putea oferi

performante similare cu ale automobilelor conventionale cu motoare cu ardere interna, trebuie

sa fie dotate cu sisteme de racire foarte pretentioase, ceea ce ar implica si preturi ridicate. Pe

lan"a aceasta, intr-un vehicul E&FC, sistemul de alimentare cu hidro"en "azos si aer trebuie sa

fie mentinut la anumite cote de umiditate. Altfel, nu se poate atin"e nivelul ener"etic optim,

pila de combustie sufera deteriorari permanente, iar motorul electric nu mai poate functiona la

parametrii stabiliti initial. Sistemul de umidificare presupune alocarea unui spatiu, adau"a

"reutate suplimentara vehiculului si costa bani in plus.

>e aceea noul sistem :&FC cu pile de combustie la temperaturi inalte este considerat atat

de important. embrana rezista la temperaturi inalte, si impreuna cu noul tip de electrozi,

poate functiona fara probleme la temperaturi de apro!imativ 'B$ "rade C. 2ezultatul consta

intr-o putere similara cu aceea oferita de sistemele deja cunoscute in prezent. Pentru vehiculele

echipate cu sisteme :&FC este anticipata o temperatura curenta a sistemului in jurul a '$

"rade C. 7n plus, nu mai este necesara umidificarea. Sistemul de racire si "estionare a apei

poate fi mult simpilficat, rezultand mai putin spatiu ocupat in vehicul, masa mai redusa a

acestuia si costuri reduse.



7n cazul acestora, membranele de temperatura inalta asi"ura tranzitul protonilor printr-un

electrolit lichid de alta natura, anume acidul fosforic. Aceasta substanta are bune proprietati

electrolitice, similare cu ale apei, dar punctul sau de fierbere se afla la o temperatura

semnificativ mai ridicata.

Ieneficul cel mai important al acestui sistem tine de eliminarea necesitatii unui sistem de

umidificare. &emperatura re"imului curent de functionare poate fi ridicata pana la apro!imativ

'/$ "rade C fara nici un impediment functional. Pila cu combustibil de temperatura inalta

realizata de catre ol5sHa"en reprezinta o contributie importanta in directia producerii unor

sisteme de pile de combustie mai compacte, mai usoare si mai ieftine.

Pe scurt, fabricarea unei membrane rezistente la temperatura inalta presupune scufundarea

unui film intr-o baie de acid fosforic. Acidul fosforic ajun"e sa imbibe filmul in numai cateva

minute. Apoi, membrana este montata in elementul pilei cu combustibil. >e asemenea, o foaie

din fibre de carbon presate este plasata in elementele preconfi"urate ale pilei. Aerul va putea

circula ulterior prin te!tura acesteia. Apoi urmeaza ambalarea si etansarea ansamblului

elementelor. Acestea sunt invelite cu foi din firbre de carbon care sunt captusite in interior cu o

pasta din platina catalitic activa, asi"urand si functia difuzarii "azelelor de alimentare. 7nvelisul

are, asadar, simultan rolul de distribuire a "azelor de alimentare si pe cel de catod. embrana

impre"nata cu acid fosforic este asezata in contact cu catodul. >incolo de aceasta se afla

straturi asemanatoare celor de la catod, care formeza celalalt electrod, anodul. Flu!ul de

hidro"en este introdus prin te!tura ultimului strat din fibre de carbon. 7n jurul elementelor este

prevazut un spatiu pentru asi"urarea racirii cu lichid. &oate elementele sunt asamblate sub

forma unei baterii. >etaliu implicit si improtant9 electrozii conventionali nu pot fi folositi la o

astfel de pila cu combustibil. &otusi, persista o problema tipica tuturor pilelor cu combustibil9

apa reziduala ce se formeaza in zona catodului. 7n cazul pilei :&FC, aceasta ar ajun"e sa

afecteze membrana, spaland acidul fosforic, care joaca rolul electrolitului. Consecinta nedorita

a faptului tine de intreruperea curentului electric. >in acest motiv, toate tentativele de a fabrica

o pila :&FC din materiale conventionale au dat "res. Cercetarile intense desfasurate de

ol5sHa"en au relevat necesitatea confi"urarii electrozilor astfel incat apa reziduala sa nu

poata ajun"e in zona membranei.



Pila de combustie de la ol5sHa"en9



Bibliografie

http9==en.Hi5ipedia.or"=Hi5i=PhosphoricKacidKfuelKcell

http9==HHH.nfcrc.uci.edu=ner"@&utorial=pafc.html

[email protected]=fuelcells=phos=pafcmain.htmhttp9==HHH'.eere.ener"@."ov=h@dro"[email protected]

http9==HHH.automotomar5et.ro=articol=GoulKsistemKcuKpileKdeKcombustieKdeKlaKol5sHa"en

.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphoric_acid_fuel_cell

http://www.nfcrc.uci.edu/EnergyTutorial/pafc.html

http://americanhistory.si.edu/fuelcells/phos/pafcmain.htm

http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html

http://www.automotomarket.ro/articol/Noul_sistem_cu_pile_de_combustie_de_la_Volkswagen.htm


http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphoric_acid_fuel_cell

http://www.nfcrc.uci.edu/EnergyTutorial/pafc.html

http://americanhistory.si.edu/fuelcells/phos/pafcmain.htm

http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html



Pila de Combustie Cu Acid Fosforic

Documents

Transcript of Pila de Combustie Cu Acid Fosforic