Studiul experimental al pilei de combustie - principiul de functionare al pilei de combustie, celula fotovoltaica

Studiul experimental al pilei de combustie

1. Principiul de functionare al pilei de combustie

Pilele de combustie sunt generatori electrochimici de energie care convertesc energia chimica in  energie electrica si care sunt alimentati continuu si constant cu combustibil.

Pila de combustie contine un strat  de electrolit aflat in contact cu doi electrozi. O fata a stratului de electrolit este in contact cu anodul solid scaldat de combustibilul gazos in curgere (hidrogen) si care este oxidat prin cedare de electroni. Cealalta fata a stratului de electrolit este in contact cu catodul solid scaldat de oxigenul in curgere care este redus prin primire de electroni. Reactiile redox se desfasoara la interfata electrod-electrolit. In regiunea interfetei se gasesc in contact trei faze : gazoasa (reactantul),solida (electrodul) si lichida (electrolitul).

Principiul de functionare al pilei de combustie este explicat, in continuare, utilizand exemplul pilei de combustie cu electrolit alcalin. Prima pila de combustie cu electrolit alcalin a fost construita de catre Bacon in 1950, electrolitul fiind solutia de KOH cu concentratia de 30 %. Parametri reactantilor gazosi puri au fost: t=200 ^oC si p = 5 MPa. Programele spatiale Apollo si Gemini au utilizat variante ale pilei lui Bacon.

Diagrama de principiu a pilei de combustie a lui Bacon este prezentata in figura1.

Electrozii se confectioneaza din materiale poroase pe baza de carbon, dopate cu materiale catalitice. Structura poroasa permite accesul reactantilor in zona  de desfasurare a reactiilor de electrod si mai are rolul de a limita polarizarea electrozilor. Electrozii cu cea mai mare eficienta sunt confectionati din platina (Pt). Platina fiind scumpa, se inlocuieste cu nichel (Ni) la anod si cu argint (Ag) la catod. Pilele de combustie cu electrolit alcalin utilizeaza reactanti gazosi puri: oxigen (O₂) si hidrogen (H₂) care pot fi obtinuti prin electroliza apei. Energia electrica necesara electrolizei se poate obtine si cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Reactiile care se produc la electrozi sunt:

• la anod (-): H₂+2 HO^- → 2 H₂O + 2 e^-, tensiunea de activare fiind ;
• la catod (+): ½ O₂+H₂O+2 e^-  → 2 HO^-, tensiunea de activare fiind .

Reactia globala este: H₂+1/2 O₂  → H₂O, tensiunea la borne fiind E =1,229V.

Electronii eliberati prin reactia de oxidare trec in circuitul exterior si ajung la catod unde participa la reducerea oxigenului molecular. In interiorul electrolitului ionii mobili sunt ionii hidroxil HO^-, care se deplaseaza de la catod la anod. Produsul de reactie este apa care se extrage pe diferite cai.

Cele prezentate sunt utile pentru a intelege principiul de functionare al pilelor de combustie.

Actual, se construiesc multe tipuri de celule de combustie dintre care amintim pila de combustie cu membrana schimbatoare de protoni. Aceasta, in locul electrolitului alcalin, foloseste un electrolit polimer solid. Electrolitul polimer solid consta dintr-o membrana schimbatoare de protoni cu grosimea de 0,05 - 0,18mm.

Fig.1. Diagrama de principiu a pilei de combustie cu electrolit alcalin.

2. Celula fotovoltaica

Celula solara din siliciu este alcatuita dintr-o dioda semiconductoare introdusa intr-o montura metalica. Dioda este din siliciu pur masiv sub forma cilindrica cu grosimea de 0,2mm, impurificat in partea p cu atomi acceptori de bor iar in partea n cu atomi donori de fosfor. Partea n este foarte subtire si este expusa radiatiei. Electrodul de pe fata n este depus sub forma unei grile metalice fine pentru a lasa lumina sa treaca spre dioda. Electrodul de pe fata p este depus sub forma unui strat metalic subtire, continuu. 

La iluminarea probei sunt generate perechile electron - gol. Mobilitatile celor doua particule sunt diferite. Mobilitatea electronilor este mai mare decat mobilitatea golurilor. Diferenta de mobilitate determina o diferenta intre fluxurile de difuzie ale electronilor si ale golurilor. Diferenta de mobilitate a purtatorilor si actiunea campului intern al Z.S.S. determina ca electronii sa patrunda in zona n a jonctiunii iar golurile sa ramana in zona p a jonctiunii. Aglomerarea sarcinii negative in partea n si a celei pozitive in partea p duce la aparitia campului de neechilibru care stopeaza migrarea putatorilor. Campul de neechilibru orientat de la partea p spre partea n  determina o diferenta de potential intre cele doua regiuni. La terminale se culege tensiunea fotoelectromotoare, U_FV . Celula este o sursa de tensiune.

In  fig.2 se arata schema de principiu a celulei solare.

Document online: Modificari biochimice induse de extractul de Pleurotus ostreatus la nivelul liniei celulare de adenocarcinom colorectal - caco-2 Document online: Notiuni generale de embriologie

In instalatiile solare fotovoltaice, ca exemplu, panoul solar cu suprafata de 0,5 m² , expus radiatiei cu intensitatea se 1000 W/m² , furnizeaza la borne tensiunea de 12 V iar puterea pe rezistorul de sarcina ajunge la 50 W.

Fig. 2. Schema de principiu a celulei solare.

3. Instalatia experimentala

Instalatia experimentala este aratata in fig.3. Elementele instalatiei sunt: panou fotovoltaic, voltametru cu cilindri gradati, solarimetru, voltmetru, miliampermetru, cronometru si dispozitivul cu pila de combustie.

Curentul electric generat de pila de combustie alimenteaza un motoras electric care antreneaza o elice in miscare de rotatie.

Fig.3. Instalatie cu panou PV si pila de combustie.

Hidrogenul este produs prin electroliza apei in voltametru, utilizand energia electrica produsa de panoul fotovoltaic:

2H₂O → 2H₂ + O₂.

Lucrarea se efectueaza in secvente cu durata variabila pentru o valoare constanta a iradiantei panoului PV. La iradierea panoului PV, prin electroliza apei se produce hidrogen si oxigen. Gazele se acumuleaza in cilindrii gradati. Pentru diferite volume ale hidrogenului se intrerupe iluminarea panoului PV. Apoi, gazele se lasa sa curga prin pila de combustie si se observa rotatia elicei. Se considera ca durata de rotatie a elicei este egala cu durata de functionare a motorului alimentat cu curent produs de pila de combustie.

4. Sarcinile lucrarii

Marimile care se masoara sunt:

• iradianta G, in planul panoului PV, cu solarimetrul;
• volumul de hidrogen V_H  acumulat in cilindrul gradat;
• volumul de oxigen V_O  acumulat in cilindrul gradat;
• tensiunea la bornele voltametrului U;
• intensitatea curentului prin voltametru I;
• aria de colectare a radiatiei A;
• timpul de colectare a radiatiei τ_S;
• durata miscarii de rotatie a elicei τ_co corespondenta timpului de colectare.

Marimile care se calculeaza sunt:

• energia solara incidenta pe panoul PV: W_S = G A τ_S;
• puterea electrica: P =U I;
• energia consumata de voltametru: W_el = U I τ_S;
• randamentul segmentului panou fotovoltaic-voltametru: η= W_el / W_S

Datele se introduc in tabelul 1.

Tabelul 1. Iradianta, volume, energii, randamente si durate.

Reprezentarea grafica consta in a ridica curba de variatie a duratei de functionare a motorului electric in functie de durata de colectare a radiatiei solare.

5. Intrebari

a. Definiti pila de combustie.

b. Prezentati principiul de functionare al pilei de combustie.

c. Descrieti instalatia.

d. Prezentati marimile masurate.

e. Prezentati marimile calculate.

f. Explicati mecanismul electrolizei.

g. Ce este efectul fotovoltaic?

i. Care sunt unitatile de masura ale marimilor masurate?

j. Descrieti voltametrul.