thumb|250px|Model demonstrativ al unei pile de combustie cu alimentare directă cu metanol (cubul negru) împreună cu anexele sale O pilă de combustie este o celulă electrochimică care convertește energia chimică a unui combustibil (adesea hidrogen) și un agent oxidant (adesea oxigen ) în electricitate printr-o pereche de reacții redox.
Pilele de combustie sunt diferite de baterii prin necesitatea unei surse continue de combustibil și oxigen (de obicei luat din aer) pentru a susține reacția chimică, în timp ce într-o baterie energia chimică provine de obicei din metale și ionii lor sau oxizi Schmidt-Rohr, K. (2018). "How Batteries Store and Release Energy: Explaining Basic Electrochemistry", J. Chem. Educ., 95: 1801–1810. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00479 care de obicei sunt prezente deja în baterie. Pilele de combustie pot produce electricitate continuu cât timp sunt alimentate cu combustibil și oxigen.
Primele pile de combustie au fost inventate de William Robert Grove în 1838. Prima utilizare comercială a pilelor de combustie a avut loc după invenția pilei de combustie alcalină hidrogen-oxigen de către Francis Thomas Bacon în 1932. Astfel de pile au fost utilizate de NASA în programele sale spațiale de la mijlocul anilor 1960 pentru a genera energie pentru sateliți și capsule spațiale. De atunci pilele de combustie au fost utilizate în multe alte aplicații. Pilele de combustie sunt utilizate pentru obținerea energiei necesare sau de rezervă pentru clădiri comerciale, industriale și rezidențiale sau în zone îndepărtate sau inaccesibile. Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru alimentarea vehiculelor cu pile de combustie, inclusiv motostivuitoare, automobile, autobuze, bărci, motociclete și submarine.
Există multe tipuri de pile de combustie, dar toate constau dintr-un anod, un catod și un electrolit care permite ionilor, adesea ionilor de hidroniu încărcați pozitiv (protoni), să se deplaseze între cei doi electrozi ai pilei. La anod, un catalizator determină combustibilul să fie oxidat, generând ioni (adesea ioni de hidrogen încărcați pozitiv) și electroni. Ionii se deplasează de la anod la catod prin electrolit. În același timp, electronii parcurg un circuit extern de la anod la catod sub forma unui curent continuu. La catod, un alt catalizator face ca ionii, electronii și oxigenul să reacționeze, formând apă și posibil alte produse. Pilele de combustibil sunt clasificate în funcție de tipul de electrolit pe care îl folosesc și de diferența de timp de pornire variind de la 1 secundă pentru pilele de combustie cu membrană schimbătoare de protoni, până la 10 minute pentru pilele de combustie cu oxizi solizi. O celulă produce potențiale electrice relativ mici, de aproximativ 0,7 V. Pentru tensiuni mai mari, celulele sunt legate în serie. În plus față de electricitate, pilele de combustie produc apă, căldură și, în funcție de sursa de combustibil, cantități mici de dioxid de azot și alte emisii. Eficiența energetică a unei pile de combustie este în general între 40 și 60 %. Dacă și căldura este captată și utilizată într-o schemă de cogenerare, se pot obține randamente energetice de până la 85%. "Types of Fuel Cells" . Department of Energy EERE website, accessed 4 August 2011
Avantajele utilizării sistemelor energetice pe bază de pile de combustie sunt: produc curent electric continuu la tensiuni scăzute, dar intensități medii; nu produc poluarea mediului ambiant; funcționează fără vibrații sau zgomote, neavând elemente în mișcare.
Istoric thumb|Schiță a pilei de combustie din 1839 a lui William Grove Primele materiale despre pilele de combustie cu hidrogen au apărut în 1838. Într-o scrisoare datată octombrie 1838, dar publicată în ediția din decembrie 1838 a „The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science”, fizicianul și avocatul galez William Grove a scris despre primele sale pile de combustie. El a folosit o combinație de tablă de fier, cupru și plăci de porțelan și o soluție de sulfat de cupru și acid diluat. Într-o scrisoare către aceeași publicație scrisă în decembrie 1838, dar publicată în iunie 1839, fizicianul german Christian Friedrich Schönbein a descris prima pilă de combustibil pe care a inventat-o el. Scrisoarea sa descria curentul generat din hidrogen și oxigen dizolvat în apă. În 1842 Grove a publicat în aceeași revistă schița proiectul său. Pila sa de combustie folosea materiale similare cu cele folosite astăzi la pilele de combustie cu acid fosforic. În 1932 Francis Thomas Bacon a realizat o pilă de combustie alcalină staționară de 5 kW, tip de pilă folosit de NASA la mijlocul anilor 1960.
În 1955 W. Thomas Grubb, chimist care lucra pentru General Electric (GE), a modificat concepția inițială a pilei de combustie utilizând o membrană de schimb ionic din polistiren sulfonat ca electrolit. Trei ani mai târziu, un alt chimist de la GE, Leonard Niedrach, a conceput o modalitate de depunere a platinei pe membrană, care a servit drept catalizator pentru reacțiile de oxidare a hidrogenului și de reducere a oxigenului. Aceasta a devenit cunoscută sub numele de „pila de combustie Grubb–Niedrach”. GE a continuat să dezvolte această tehnologie cu NASA și McDonnell Aircraft, ceea ce a dus la utilizarea ei în timpul Programului Gemini. Aceasta a fost prima utilizare comercială a unei pile de combustie. În 1959 o echipă condusă de Harry Ihrig a construit un tractor cu pile de combustie de 15 kW pentru Allis-Chalmers, care a fost prezentat în SUA la târgurile statale. Acest sistem a folosit hidroxid de potasiu ca electrolit și hidrogen comprimat și oxigen drept reactanți. Mai târziu, în 1959, Bacon și colegii săi au prezentat o unitate de cinci kilowați capabilă să alimenteze o mașină de sudat. În anii 1960, Pratt & Whitney a autorizat folosirea brevetelor americane Bacon în programul spațial american pentru a furniza electricitate și apă potabilă (hidrogenul și oxigenul fiind disponibile din rezervoarele navelor spațiale). În 1991, primul automobil cu pilă de combustie cu hidrogen a fost dezvoltat de Roger Billings.
UTC Power a fost prima companie care a produs și comercializat un sistem de pile de combustie staționar, suficient de mare pentru a fi utilizat drept centrală electrică în cogenerare pentru spitale, universități și clădiri mari de birouri.
Aspecte teoretice Tensiuni și randament Procesele electrochimice care au loc într-o pilă de combustie constau într-o serie de reacții redox (de reducere/oxidare). În pilă, combustibilul , de exemplu hidrogenul, este absorbit pe suprafața anodului poros, unde este disociat în ioni și electroni într-un proces de oxidare. Ionii de combustibil migrează prin electrolit de la anod la catod, unde se întâlnesc cu electronii (veniți prin circuitul electric exterior) și oxidantul . Are loc reacția de reducere, rezultând un produs de reacție (apă, dacă combustibilul este hidrogenul).
În timpul funcționării, electrozii și electrolitul nu suferă nicio modificare structurală, ei servind doar ca suport pentru reacție. La anod are loc oxidarea catalitică a hidrogenului atomic, iar la catod reducerea catalitică a oxigenului atomic. Fenomenul de oxidare și reducere catalitică are loc în regim trifazic (gaz—lichid—solid) la suprafața catalizatorului.
Teoretic, cantitatea de energie electrică produsă de o pilă de combustie este diferența dintre energiile libere Gibbs ale reactanților și produselor reacției:Eshani ș.a., Modern…, p. 348
unde și sunt variația entalpiei, respectiv a entropiei în timpul reacției la temperatura . Pentru hidrogen kJ/mol iar kJ/mol.
Într-un proces reversibil este convertită complet în curent electric:Eshani ș.a., Modern…, p. 349
unde este numărul de electroni transferați, este constanta lui Faraday (96485 C/mol), iar este tensiunea celulei în circuit deschis (reversibilă), care depinde de temperatură. În condiții standard tensiunea reversibilă a celulei este: .
Randamentul ideal al unei pile de combustie este: .
Randamentul este de 100 % dacă , ceea ce se întâmplă dacă numărul de moli de gaz nu se schimbă, de exemplu în reacția . Dacă în reacție nu intervine doar energia , ci și o cantitate de căldură , care va fi degajată în mediul ambiant.
Tensiunea unei pile de combustie depinde de activitatea reactanților, care, la rândul ei, este în funcție de presiunile lor, :Eshani ș.a., Modern…, p. 350
unde este constanta universală a gazelor ( = 8,3145 J/mol K), iar este numărul de moli din reactantul . thumb|Căderile de tensiune într-o pilă de combustie cu hidrogen în funcție de curent thumb|Tensiunea și randamentul unei pile de combustie cu hidrogen în funcție de curent În realitate tensiunile sunt ceva mai mici decât cele calculate termodinamic mai sus. Din cauza rezistenței ohmice a electrozilor și electrolitului apare o cădere de tensiune proporțională cu intensitatea curentului :Eshani ș.a., Modern…, p. 351 .
Altă cădere de tensiune apare datorită necesității de a învinge barierele de activare, cădere care este liniară în funcție de logaritmul intensității:Eshani ș.a., Modern…, p. 352
unde este o constantă de proces, iar este curentul la echilibru.
Când curentul circulă, cationii formați la anod se deplasează spre catod, ca urmare concentrația acestor ioni variază. Apar căderi de tensiune în dreptul fiecărui electrod, și , a căror sumă este:
unde este intensitatea limită.
Similar, dacă în fluxul de reactanți apar variații de concentrații (de exemplu prin epuizarea reactanților în zona catalizatorilor la sarcini mari), care se pot exprima prin presiuni, apare căderea de tensiune:Eshani ș.a., Modern…, p. 353
Se poate defini randamentul pilei ca raport între tensiunea furnizată și tensinea reversibilă în condiții standard:
Curba căderilor de tensiune și a randamentului sunut prezentate în figurile alăturate.
Consumul de combustibil și oxidant Consumul este proporțional cu curentul produs de pilă. Reacția dintre combustibilul și oxidantul , rezultând produsele și este:Eshani ș.a., Modern…, p. 354
Debitul masic de combustibil pentru curentul este: [kg/s] unde este masa molară a combustibilului, în [g/mol].
Raportul stoechiometric dintre oxidant și combustibil este: .
Pentru o pilă cu hidrogen, raportul stoechiometric este:Eshani ș.a., Modern…, p. 355
Coeficientul de excedent de aer este definit drept raportul dintre cantitatea reală de oxidant care intră în reacție și cantitatea stoechiometrică:
Dacă amestecul este bogat, la amestecul este stoechiometric, iar la amestecul este sărac. Întotdeauna pilele de combustie lucrează cu amestec sărac () pentru a reduce căderile de tensiune din cauza oxidantului.
În pilele de combustie drept oxidant se folosește aerul atmosferic, la care fracția masică a oxigenului este de 0,232. Pentru reactanții hidrogen/aer raportul stoechiometric devine: .
Construcție și tipuri thumb|300px|Schema simplificată a unei pile de combustie pe bază de hidrogen Există mai multe tipuri de pile de combustie, dar toate funcționează pe același principiu. Ele sunt alcătuite din trei componente adiacente: anodul, electrolitul și catodul. Două reacții chimice apar la interfețele dintre cele trei componente. Rezultatul net al celor două reacții este că se consumă combustibil, se creează apă sau/și dioxid de carbon și se generează curent electric care poate fi utilizat pentru alimentarea dispozitivelor electrice, care formează din punct de vedere electric sarcina.
La anod un catalizator oxidează combustibilul, de obicei hidrogen, transformând molecula de combustibil într-un ion încărcat pozitiv și un electron încărcat negativ. Electrolitul este o substanță specială prin care ionii pot trece, dar electronii nu. Electronii eliberați sunt culeși și vor ajunge la catod sub formă de curent electric prin circuitul extern. Ionii se deplasează la catod prin electrolit. La catod ionii se reunesc cu electronii și cei doi reacționează cu o a treia substanță chimică, de obicei oxigen, pentru a crea apă sau dioxid de carbon.