1. Pile de combustie - Fuel Cells

[sserban]

Pile de combustie sau cum le zice englezul Fuel Cells. O pila de combustie este o tehnologie care produce electricitate si agent termic (caldura) prin efectul invers de electroliza. Adica??? Sir William Grove s-a gandit acum doua secole ca electroliza poate fi reversibila. Daca in cazul electrolizei separam hidrogenul de oxigen prin aplicarea unui curent, atunci sa construim un dispozitiv care sa produca energie electrica prin formarea apei din hidrogen si oxigen.
Caracteristici:
randament teoretic - 83%
tensiune maxima - 1.3V
combustibil: hidrogen
Poluare - 0
O pila de combustie poate fi imaginata ca un sandwich in care un electrolit se afla intre un catod si un anod. La interfata dintre catod se produce "oxygen reduction reaction - ORR" la cealalta interfata se intampla "hydrogen oxidation reaction - HOR". Electrolitul este o membrana polimer care este impermeabila ,nu permite gazului sa treaca si este conductoare de protoni. Principiul este cat se poate de banal, HOR-ul separa hidrogenul in electroni si protoni, permite protonilor sa treaca prin electrolit. Intre timp electronii trec printr-un circuit si efectueaza lucru mecanic util pentru a se combina cu protonii si oxigenul de pe cealalta parte (catod) pentru a forma apa.
Explicatii: http://www.fuelcells.org/basics/how.html
Astazi este prima parte...maine partea a doua.

[sserban]

Asa cum am promis aseara, astazi voi continua sa povestesc despre pile de combustie. Astazi o sa incerc sa fac o scurta introducere in fenomenul ce se intampla la anod, mai exact la HOR - reactia de oxidare a hidrogenului. Precizare: o reactie de oxidare nu inseamna o reactie cu oxigenul. Reactia de oxidare poate fi definita in mai multe feluri. Prima oara a fost definita ca o reactie cu oxigenul, totusi o explicatie completa trebuie sa faca referire la reactia de oxidare din punct de vedere al electronilor. Pentru mai multe detalii: http://www.chemguide.co.uk/inorganic/redox/definitions.html
Reactia de oxidare a hidrogenului - HOR face referire la pierderea celor doi electroni din molecula de hidrogen. Acest proces se intampla la interfata dintre electrolit si anod. Pentru a realiza un material ce poate sa oxideze hidrogenul si dupa aceea sa conduca electronii pentru a efectua lucrul util trebuie ca anodul sa fie conductor si sa aibe un catalizator pentru oxidarea hidrogenului. Asadar, anodul este de fapt o hartie carbonica pe care este depus catalizatorul. Hartia carbonica este de fapt o impletitura de fibre de carbon. Scopul hartiei carbonice este de a conduce electroni prin fibrele carbonice. Pe suprafata acestora este depus catalizatorul. Primul catalizator folosit a fost Platina - Pt -.
Este cunoscut faptul ca Pt este foarte scumpa. Prin urmare cantitatea de Pt a scazut de-a lungul anilor de la 2 mg/cm2 la 0,3 mg/cm2. Intr-un final s-au dezvoltat diferite aliaje pentru a reduce cantitatea de Pt pana la 0,1 mg/cm2. Acest domeniu in continuare este dezvoltat pentru a reduce si chiar elimina Pt.
Maine vom vorbi despre reactia de reducere a oxigenului - ORR.

[sserban]

La prima vedere anodul si catodul par sa semene foarte mult. Ambele structuri au ca si suport hartia carbonica, iar pe fiberele carbonice sunt depuse catalizatorii. Mai mult, Platina - Pt - este folosita in ambele cazuri ca si catalizator. Desi, nu pare sa fie mare diferenta intre anod si catod totusi sunt lucruri total diferite. In primul rand, reactia de oxidare a hidrogenului a fost studiata si aprofundata, chiar toata electrochimia se bazeaza pe confirmarea electrodului de hidrogen. In schimb, reactia de reducere a oxigenului este dificila, de fapt inca nu se stiu exact cum se intampla mecanismele de reducere a oxigenului desi se stiu mecanismele.
Cantitatea de Pt a fost redusa de-a lungul anilor, insa tot se foloseste o cantitate importanta, mai exact 0,3 mg/cm2. Acum daca stam sa ne gandim ca aceasta cantitate trebuie inmultita cu suprafata activa, de obicei vreo 100 cm2 si cu numarul de pile care formeaza un stack de pile obtinem o cantitate destul de mare. Explicatie: o pila de combustie nu este tocmai adecvata pentru consumul actual de energie, asa ca se leaga mai multe pile intr-un stack pentru a obtine necesarul de energie. Un stack comercial este format intre 40 si 150 de pile de combustie legate intre ele. Asadar, daca avem un stack format din 80 de pile cu o suprafata activa de 100 cm2 avem o cantitate de 2,4 g de Pt doar la catod si inca o treime la anod. In total avem 3,2 g de Pt intr-un stack ce functioneaza pentru cateva mii de ore. Insa costurile unui stack nu sunt doar in cantitatea de Pt ci sunt si in celelate materiale ce formeaza intregul ansamblu, dar Pt reprezinta aproximativ jumatate din costurile unui stack.
Maine o sa vorbesc despre electrolit.

[sserban]

Din pacate, maine s-a facut aproape o luna. Asadar, ziceam ca o sa vorbesc despre electrolit.
Electrolitul este de fapt o membrana perfluorosulfonata care permite trecerea protonilor dar nu si a electronilor. De asemenea, aceasta este o membrana impermeabila. Desi, s-a tot incercat producerea mai multor tipuri de membrane de-a lungul timpului, singurul tip ramas este creat de cei de la DuPont si se numeste Nafion. Aceasta membrana este inima unei pile de combustie deoarece aceasta permite trecerea a doi protoni din molecula diatomica de hidrogen inspre anod pentru a se combina cu oxigenul si a forma agentul termic la 80 de grade C (agentul termic=apa, in acest caz).

Pana acum am vorbit despre pile de combustie cu membrane schimbatoare de protoni (PEMFC), mai sunt si alte tipuri de pile de combustie care reprezinta diverse deviatii de la acest model, insa conditiile de operare difera (ex. temperatura, presiune, etc.). Acest tip de pile de combustie, PEMFC, este cel mai folosit si prezinta un mare interes pentru industria automobilelor.

Scurte concluzii
1. PEMFC produce energie electrica si termica prin oxidarea hidrogenului si reducerea oxigenului.
2. In principiu, catalizatorii folositi sunt Pt, dar acestia pot fi inlocuiti de alte materiale, precum grafene dopate cu azot sau nanotuburi de carbon decorate cu diverse elemente care nu apartin PMG (Platinum metal group).
3. O pila de combustie are randamentul teoretic 83% (practic cel mai mare randament a fost raportat in 2011 de 67%). Tensiunea maxima in circuit deschis este 1,29 V. Combustibilul folosit este hidrogen, iar oxigenul este luat din aer.
4. PEMFC are doar aceste trei componente (anod, catod si electrolit). Un stack, o insiruire de PEMFC, are mai multe pile de combustie dar si alte componente (placi colectoare de curent, flow field plates, etc.). Asadar un stack este un pic mai complicat decat o pila de combustie.

Maine, o sa vorbesc despre aplicatiile industriale si o sa incep sa vorbesc despre economia hidrogenului.

[sserban]

Acum ca avem si "cunostinte de natura tehnica" asupra pilelor de combustie, putem sa vorbim despre Economia Hidrogenului, acesta fiind de fapt subiectul acestui post.
Economia hidrogenului (Ec. H2) este o structura alternativa de producere de  energie electrica si termica prin pile de combustie care folosesc hidrogenul ca si combustibil. Pilele de combustie pot sa acopere un spectru larg de aplicatii, de la industria transporturilor, la industria tehnologiilor portabile, etc. Principala aplicatie in acest moment este industria transporturilor, mai exact masinile (hydrogen fueled cars). Acestea sunt masini care functioneaza printr-un motor electric, iar energia electrica necesara este furnizata printr-un stack de pile de combustie. Poluarea locala (masina nu polueaza, dar producerea acestei tehnologii foloseste materiale care polueaza, la fel ca orice alta tehnologie) a acestei tehnologii este zero, singurul produs fiind apa.
Aceasta tehnologie este deja disponibila numai ca la un pret foarte mare. Exista deja companii care comercializeaza (nu in serie) aceste vehicule (BMW, Mercedes, Toyota, Hyundai, etc.). Pentru implementarea acestei tehnologii este nevoie de sprijin din partea politica, mai exact ce se intampla in Danemarca, unde nu exista taxe pentru masini care nu polueaza.
Principalul competitor al acestei tehnologii sunt masinile electrice, insa exista probleme foarte mari cu aceasta tehnologie. Prima care imi vine in minte este timpul de incarcare, aceasta fiind de 7-8 h pentru masinile electrice pentru o autonomie de sub 300 km. In schimb, masinile alimentate cu hidrogen au un timp de incarcare de sub 5 min. pentru a autonomie de 700 km (Hyundai, iX35 FCEV).

[virgil 48]

Fiindca pari persoana indicata, iti adresez urmatoarea intrebare, in legatura cu diversele informatii  
privind utilizarea apei drept combustibil in motoare:
Este posibil ca prin aprinderea(explozie) a unei cantitati de hidrogen si oxigen, sa se obtina energie
mai multa decat cea folosita pentru disocierea apei din care a rezultat cantitatea de gaze respectiva?
Stiu ca raspunsul normal este NU, dar presupun ca numai asa s-ar putea folosi apa drept combustibil.

[sserban]

Salut,

bineinteles ca nu se poate pentru ca produci si entropie, dar inteleg ce zici tu. Te referi la faptul ca nu are nici un rost sa descompun apa in hidrogen si oxigen pentru a consuma dupa aceea hidrogenul. Daca la acest fapt te referi, ai sa ramai surprin dar are. Exemplul cel mai bun sunt tarile care in acest moment produc energie electrica multa din surse regenerabile (solara, eoliana, etc.).
Sa luam Danemarca, toata lumea stie ca produce multa energie electrica din energie eoliana, dar cum vantul nu bate tot timpul ai momente in care produci mai mult decat consumi (daca nu ai unde sa exporti energia electrica, atunci aceasta se pierde) si momente in care consumi mai mult decat produci (aici trebuie sa cumperi energie). Asadar, cum naiba stochezi cantitatea de energie care se afla in exces pentru a o folosi cand ai nevoie.
Ai doua optiuni: baterii sau electroliza (de unde obtii hidrogenul pentru a il folosi in pile de combustie). Cum bateriile nu sunt o solutie viabila momentan din cauza faptului ca nu pot sa stocheze cantitati mari de energie si nici nu sunt tocmai enviromental friendly. Iti ramane o singura posibilitate, electroliza.

[virgil 48]

 Asta cu stocatul energiei sub forma de hidrogen este o solutie noua si eleganta, dar cred ca ai
auzit si tu despre sistemul de hidrocentrale cu doua lacuri de acumulare si cu turbine care imping
apa  la deal.
-Randamentul de 83%( 67%) se refera la intregul ciclu de transformari, energie electrica/ H+O /
energie electrica sau numai la a doua parte a ciclului?
-Crezi ca oxigenul rezultat prin electroliza va fi comercializat sau intors in atmosfera? Eu nu inteleg
dece ecologistii se ocupa numai de poluare si nu se mai spune nimic despre epuizarea oxigenului
din atmosfera, datorita arderilor.
-La ce presiune se stocheaza hidrogenul si la ce presiune functioneaza celulele?
 Sper ca nu te-ai plictisit!

[sserban]

Randamentul teoretic al pilelor de combustie este de 83%, iar pentru electroliza este undeva pe la 90%, deci randamentul total ar fi undeva pe la 75% (teoretic). Sunt sigur ca oxigenul va fi comercializat. Totul se face pentru bani, de aia economia hidrogenului se va intampla pentru ca este singura structura care inlocuieste carburantii cu un alt produs economic. In cazul folosirii doar a energiilor regenerabile nu ai un produs economic. Pilele de combustie nu depind de presiune, dar depind de temperatura. In functie de tipul de pile de combustie acestea functioneaza de la 80 la 140 sau chiar 1000 grade C.
Statiile de alimentare cu hidrogen functioneaza la 70 MPa.
Referitor la problema cu oxigenul stiu ca a fost un studiu din care rezulta ca Pamantul produce cu 0,02% mai mult oxigen decat umanitatea consuma, dar totusi asta s-a redus de la 0,03%. Inca nu este o problema asta.
Ce ai zis tu cu hidrocentralele am auzit dar sunt sceptic. Sa produci mai multa energie decat consumi in acelasi proces...asta inseamna perpetum mobile!!!

[virgil 48]

Despre hidrocentrale ai inteles gresit. Am auzit ca se face si la noi una, noaptea(cand scade consumul)
urca apa sus din acumularea de jos, ca sa aiba a doua zi apa pentru perioada de consum mare. Deci
regenereaza noaptea sursa de energie potentiala pentru a fi utilizata ziua. Apa urca prin pompare
consumand energie electrica pe care o cedeaza cand coboara, nu este un perpetuum mobile, sigur
sunt si pierderi.

[sserban]

Adica ce vrei tu sa zici este ca energia consumata de pompe ca sa urce apa este mai mica decat energia care este produsa de trecerea apei prin turbine? Daca asta este, stiu despre concept, s-au construit multe in Suedia numai ca cica nu sunt tocmai sustenabile pe perioade lunigi, circa 25-50 ani.

[virgil 48]

Nu cred ca am afirmat undeva ca energia consumata pentru a urca apa in bazinul superior(noaptea) este
mai mica decat cea obtinuta la coborare(ziua). Dimpotriva, sunt si pierderi, determinate de frecari,
randamentele utilajelor, etc, dar constituie un mod de "stocare" a energiei pentru a face fata varfurilor
de consum.
In legatura cu Fuel Cells mai cunosti si alte amanunte? De exemplu electrozii platinati functioneaza in
mediu gazos? Apa care se formeaza, ramane in celula sau se evacueaza permanent?

[sserban]

Aha...acum am inteles ce vrei tu sa zici. In fine, apa care se formeaza este la o temperatura de 80 grade C si este tot timpul evacuata, in cazul in care nu se intampla acest lucru risti sa ai transport masic prin membrana deci nu o sa mai functioneze. Da, electrozii platinati functioneaza si in mediul gazos.

[virgil 48]

Folosirea hidrogenului in acest fel, cu pile de combustibil si motor electric, conduce la un randament
mai bun decat daca folosesti hidrogenul ca pe gazul lichefiat de la statii, in motoare clasice? 
Stiu ca pot gasi informatii pe cautare Google, dar daca ai deschis discutia...                                 

[sserban]

Folosirea pilelor de combustie impreuna cu un motor electric este cea mai eficienta metoda de a pune in miscare un vehicul pe distante mai mari de 250 km. Nu de alta, dar pentru distante mai mici exista conceptele de masini solare, care nu neaparat sunt mai eficiente d.p.d.v. al randamentului tehnic dar sunt mult mai eficiente d.p.d.v. al costului.