Pilă de combustibil alcalină

Celulă de combustibil alcalină  - ( engleză  celula de combustibil alcalină , AFC ), cea mai studiată tehnologie de celule de combustibil , aceste elemente au zburat cu un om pe Lună .

NASA folosește pile de combustibil alcaline încă de la mijlocul anilor ’60, în seria Apollo și a navetei spațiale . Pilele de combustibil alcaline consumă hidrogen și oxigen pur și produc apă, căldură și electricitate. Sunt cele mai eficiente dintre celulele de combustibil, cu o eficiență de până la 70%.

Chimie

O celulă de combustibil generează energie printr-o reacție redox între hidrogen și oxigen. La anod, hidrogenul este oxidat conform reacției:

cu formarea apei si eliberarea de electroni. În acest caz, electronii curg prin circuitul extern și revin la catod, oxigenul este consumat în reacție:

și produce ioni de hidroxid. Un ciclu de reacție complet consumă o moleculă de oxigen și două molecule de hidrogen, producând două molecule de apă. Electricitatea și energia termică sunt produse ca produse secundare ale acestei reacții.

Electrolit

Cei doi electrozi sunt separați de o matrice poroasă saturată cu o soluție apoasă alcalină, de obicei hidroxid de potasiu (KOH). Soluțiile alcaline apoase absorb dioxidul de carbon (CO 2 ), astfel încât pila de combustibil poate deveni „otrăvită” prin transformarea KOH în carbonat de potasiu (K 2 CO 3  ). Din acest motiv, celulele de combustie alcaline funcționează de obicei cu oxigen pur, sau cel puțin cu aer fără dioxid de carbon și trebuie să încorporeze un design „scrubber” pentru a elimina cât mai mult dioxid de carbon posibil. Deoarece cerințele pentru producerea și stocarea oxigenului fac oxigenul pur scump, există mai multe companii care promovează în mod activ tehnologia. Există, totuși, o anumită dezbatere în comunitatea științifică asupra faptului dacă otrăvirea este permanentă sau reversibilă. Principalele mecanisme de otrăvire sunt blocarea porilor din catod cu K 2 CO 3 , care nu este reversibil, și o scădere a conductivității ionice a electrolitului, care poate fi reversibilă, readucerea KOH la concentrația sa inițială. O metodă alternativă implică pur și simplu înlocuirea KOH, care resetează pila de combustibil la starea inițială. 

Când dioxidul de carbon reacționează cu un electrolit, se formează carbonați. Carbonații se pot depune pe porii electrozilor, care în cele din urmă îi blochează. Sa constatat că operarea AFC la temperaturi mai ridicate nu a arătat o degradare a performanței, în timp ce la temperatura camerei, a fost observată o degradare semnificativă a performanței. Otrăvirea cu carbonat la temperatura ambiantă este considerată a fi rezultatul solubilității scăzute a K2CO3 la  temperatura camerei, ceea ce duce la precipitarea K2CO3 care blochează porii electrodului. În plus, acești precipitanți reduc progresiv hidrofobicitatea stratului de suport al electrodului, ducând la degradarea structurală și înfundarea electrodului.

Pe de altă parte, ionii hidroxil purtători de sarcină din electrolit pot reacționa cu dioxidul de carbon din produșii de oxidare ai combustibililor fosili (adică metanol, acid formic) sau aer pentru a forma compuși carbonatați.

Formarea carbonaților epuizează ionii de hidroxid din electrolit, reduce conductivitatea electrolitului și, prin urmare, performanța celulelor de combustie. Modificările în volumul electrolitului, presiunea vaporilor de apă în celulă și alți factori pot reduce, de asemenea, productivitatea.

Modele de bază

Din cauza acestui efect de otrăvire, sunt utilizate două variante principale de AFC : cu electrolit static și curgător. Celulele statice sau imobilizate, de tip electrolit, instalate în nava spațială Apollo și în naveta spațială, utilizează de obicei un separator de azbest saturat în hidroxid de potasiu. Producția de apă este controlată prin evaporarea din anod, așa cum se arată în imaginea de mai sus, care produce apă pură care poate fi eliberată pentru alte utilizări. Aceste celule de combustibil folosesc catalizatori de platină pentru a obține eficiențe volumetrice și de masă maxime.

Modelele de celule de flux utilizează o matrice mai deschisă care permite electrolitului să curgă fie între electrozi (în paralel), fie peste electrozi (cum ar fi o celulă de combustibil ASK sau EloFlux ). În modelele de schimbare a electrolitului cu curgere paralelă, apa rezultată este reținută în electrolit, iar electrolitul vechi poate fi înlocuit cu electrolit proaspăt, într-un mod similar cu schimbarea uleiului într-o mașină. Este necesar un spațiu suplimentar între electrozi pentru ca fluxul să treacă, ceea ce duce la o creștere a rezistenței interne a celulelor, o scădere a puterii de ieșire în comparație cu structurile imobilizate. O altă problemă tehnologică este blocarea constantă a catodului cu K 2 CO 3 ; unele rapoarte publicate au arătat mii de ore în aer(?). Atât catalizatori de platină, cât și metale de bază au fost utilizați în aceste proiecte, rezultând o eficiență crescută și un cost crescut.

Designul cu flux încrucișat EloFlux are avantajul costurilor scăzute ale electroliților de înlocuire, dar până acum a fost demonstrat doar folosind oxigen.

Electrozii constau dintr-o structură cu dublu strat: un strat de electrocatalizator activ și un strat hidrofob. Stratul activ este alcătuit dintr-un amestec organic care este o bază și apoi rulat la temperatura camerei pentru a forma o foaie autoportabilă reticulata. Structura hidrofobă previne scurgerea electrolitului în canalele de reactivi ale fluxurilor de gaze și asigură difuzia gazelor la locul de reacție. Aceste două straturi apăsă apoi pe plasa metalică conductivă și sinterizarea completează procesul.

Alte variații ale celulei de combustie alcalină includ celula de combustie cu hidrură metalică și celula de combustie directă cu hidrură de bor.

Perspective comerciale

AFC -urile sunt cele mai ieftine dintre celulele de combustie de produs. Catalizatorii necesari electrozilor sunt fabricați din substanțe chimice care sunt ieftine în comparație cu cele necesare pentru alte tipuri de celule de combustie.

Perspectivele comerciale se află în primul rând pe AFC , cu o versiune de plăci bipolare nou dezvoltată a acestei tehnologii, depășind semnificativ versiunile anterioare monoplacă.

Prima navă cu celule de combustie HYDRA din lume  folosește un sistem AFC cu o putere de 5 kW.

O altă dezvoltare recentă este apariția pilelor de combustibil alcaline în stare solidă, folosind membrane alcaline schimbătoare de anioni în loc de lichide. Aceasta rezolvă problema otrăvirii și permite dezvoltarea pilelor de combustie alcaline capabile să funcționeze pe purtători mai siguri, bogați în hidrogen, cum ar fi soluțiile lichide de uree sau complexele metal-amină.

Link- uri externe

• GOST 15596-82 Surse de curent chimic. Termeni și definiții
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732