Vizualizare sursă pentru „Pilă de combustie”

[[Fișier:Fuel cell NASA p48600ac.jpg|thumb|250px|Model demonstrativ al unei [[Pilă de combustie cu alimentare directă cu metanol |pile de combustie cu alimentare directă cu metanol]] (cubul negru) împreună cu anexele sale]] 
O '''pilă de combustie''' este o [[celulă electrochimică]] care convertește [[energie chimică |energia chimică]] a unui [[combustibil]] (adesea [[hidrogen]]) și un [[agent oxidant]] (adesea [[oxigen]]<ref>{{en icon}} {{cite book |last1=Saikia |first1=Kaustav |last2=Kakati |first2=Biraj Kumar |last3=Boro |first3=Bibha |last4=Verma |first4=Anil |title=Recent Advancements in Biofuels and Bioenergy Utilization |date=2018 |publisher=Springer |location=Singapore |isbn=978-981-13-1307-3 |pages=303–337 |chapter=Current Advances and Applications of Fuel Cell Technologies|doi=10.1007/978-981-13-1307-3_13 }}</ref>) în [[electricitate]] printr-o pereche de reacții [[redox]].<ref>{{en icon}} {{cite book |last=Khurmi |first=R. S. |title=Material Science |url=http://www.biblio.com/books/436308472.html|publisher=S. Chand & Company |year=2014 }}</ref> 

Pilele de combustie sunt diferite de [[baterie electrică | 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<ref name="Schmidt-Rohr 18">{{en icon}} 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</ref> 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 [[Pilă de combustie alcalină |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 [[capsulă spațială |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 [[Vehicul cu pile de combustie |vehiculelor cu pile de combustie]], inclusiv [[motostivuitor |motostivuitoare]], [[automobil]]e, [[autobuz]]e, [[barcă |bărci]], [[motocicletă |motociclete]] și [[submarin]]e.

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 ([[proton]]i), să se deplaseze între cei doi [[electrod |electrozi]] ai pilei. La anod, un catalizator determină combustibilul să fie oxidat, generând ioni (adesea [[ion]]i de hidrogen încărcați pozitiv) și [[electron]]i. 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 [[pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni |pilele de combustie cu membrană schimbătoare de protoni]], până la 10 minute pentru [[pilă de combustie cu oxizi solizi |pilele de combustie cu oxizi solizi]]. O celulă produce potențiale electrice relativ mici, de aproximativ 0,7&nbsp;[[volți|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&nbsp;%. Dacă și căldura este captată și utilizată într-o schemă de [[cogenerare]], se pot obține [[randament]]e energetice de până la 85%.<ref name=Types1>{{en icon}} [http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html "Types of Fuel Cells"] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100609041046/http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html |date= 9 June 2010}}. Department of Energy EERE website, accessed 4 August 2011</ref>

Avantajele utilizării sistemelor energetice pe bază de pile de combustie sunt: 
* produc curent electric continuu la [[tensiune electrică |tensiuni]] scăzute, dar [[intensitatea curentului electric|intensități]] medii;
* nu produc [[poluare]]a [[mediu|mediului ambiant]];
* funcționează fără [[vibrație |vibrații]] sau [[zgomot]]e, neavând elemente în [[mișcare (fizică)|mișcare]].
{{toclimit|3}}

== Istoric ==
[[Fișier:1839 William Grove Fuel Cell.jpg|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.<ref>{{en icon}} {{cite document |title=Mr. W. R. Grove on a new Voltaic Combination |publisher=The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science | year=1838 |access-date=2 October 2013 |url=https://archive.org/stream/londonedinburghp13lond/londonedinburghp13lond_djvu.txt | doi=10.1080/14786443808649618}}</ref><ref>{{en icon}} {{cite journal | last1 = Grove | first1 = William Robert | year = 1839 | title = On Voltaic Series and the Combination of Gases by Platinum | url = https://zenodo.org/record/1431021| journal = Philosophical Magazine and Journal of Science | volume = XIV | issue = 86–87| pages = 127–130 | doi=10.1080/14786443908649684}}</ref> 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.<ref>{{en icon}} {{cite web|title=On the Voltaic Polarization of Certain Solid and Fluid Substances |publisher=The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science |year=1839 |access-date=2 October 2013 |url=http://electrochem.cwru.edu/estir/hist/hist-14-Schoenbein.pdf |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20131005022402/http://electrochem.cwru.edu/estir/hist/hist-14-Schoenbein.pdf |archive-date= 5 October 2013 }}</ref> În 1842 Grove a publicat în aceeași revistă schița proiectul său. Pila sa de combustie folosea materiale similare cu cele folosite astăzi la [[pilă de combustie cu acid fosforic |pilele de combustie cu acid fosforic]].<ref>{{en icon}} {{cite journal | last1 = Grove | first1 = William Robert | year = 1842 | title = On a Gaseous Voltaic Battery | url = https://zenodo.org/record/1431031| journal = Philosophical Magazine and Journal of Science | volume = XXI | issue = 140| pages = 417–420 | doi=10.1080/14786444208621600}}</ref><ref name=JL>{{en icon}} {{cite book |last1=Larminie|first1=James |title=Fuel Cell Systems Explained, Second Edition | publisher = Society of Automotive Engineers | date=1 May 2003| isbn = 978-0-7680-1259-0}}</ref>
În 1932 Francis Thomas Bacon a realizat o pilă de combustie alcalină staționară de 5&nbsp;kW, tip de pilă folosit de NASA la mijlocul anilor 1960.<ref name="BBC">{{en icon}} {{cite news |title=The Brits who bolstered the Moon landings |url=https://www.bbc.co.uk/archive/the-brits-who-bolstered-the-moon-landings/zfcrscw |access-date=7 August 2019 |agency=BBC}}</ref><ref>{{en icon}} {{cite news |title=Apollo 11 mission 50 years on: The Cambridge scientist who helped put man on the moon |url=https://www.cambridgeindependent.co.uk/news/apollo-11-mission-50-years-on-the-cambridge-scientist-who-helped-put-man-on-the-moon-9077166/ |access-date=7 August 2019 |work=Cambridge Independent}}</ref>

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”.<ref>{{en icon}} {{Cite web|url=https://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pem2.htm|title=Fuel Cell Project: PEM Fuel Cells photo #2|website=americanhistory.si.edu}}</ref><ref>{{en icon}} {{Cite web|url=https://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm|title=Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells|website=americanhistory.si.edu}}</ref> GE a continuat să dezvolte această tehnologie cu NASA și McDonnell Aircraft, ceea ce a dus la utilizarea ei în timpul [[Programul Gemini |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&nbsp;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]].<ref>{{en icon}} {{cite web | title = Roger Billings Biography | publisher = International Association for Hydrogen Energy | url = http://www.iahe.org/advisory.asp?did=2 | access-date = 2011-03-08 | archive-date = 2021-02-24 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210224145900/http://www.iahe.org/advisory.asp?did=2 | dead-url = yes }}</ref><ref>{{cite web | title = Spotlight on Dr. Roger Billings | publisher = Computer Technology Review | url = http://wwpi.com/spotlight-on-dr-roger-billings-science-and-technology-luminary/ | access-date = 2015-09-21 | archive-date = 2016-03-27 | archive-url = https://web.archive.org/web/20160327053930/http://wwpi.com/spotlight-on-dr-roger-billings-science-and-technology-luminary | dead-url = yes }}</ref>

[[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.<ref>{{en icon}} {{cite web|title=The PureCell Model 400 – Product Overview |publisher=UTC Power |url=http://www.utcpower.com/products/purecell400 |access-date=2011-12-22 |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20111211055124/http://www.utcpower.com/products/purecell400 |archive-date=11 December 2011}}</ref>

== Aspecte teoretice ==
=== Tensiuni și randament ===
Procesele [[electrochimie |electrochimice]] care au loc într-o pilă de combustie constau într-o serie de reacții redox (de reducere/oxidare). În pilă, combustibilul {{mvar|A}}, 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 {{mvar|B}}. 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 [[energie liberă Gibbs |energiile libere Gibbs]] ale reactanților și produselor reacției:<ref>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 348</ref>
:<math>\Delta G = \sum_{produse}G_i-\sum_{reactanti}G_j=\Delta H -T\Delta S</math>
unde <math>\Delta H \,</math> și <math>\Delta S \,</math> sunt variația [[entalpie]]i, respectiv a [[entropie]]i în timpul reacției la temperatura {{mvar|T}}. Pentru hidrogen <math>\Delta G = -237,13 \,</math>kJ/mol iar <math>\Delta H = -285,84 \,</math>kJ/mol.

Într-un [[proces reversibil |proces reversibil]] <math>\Delta G \,</math> este convertită complet în curent electric:<ref name=E349>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 349</ref>
:<math>\Delta G = -nFV_r \,</math>
unde {{mvar|n}} este numărul de electroni transferați, {{mvar|F}} este [[constanta lui Faraday]] (96485&nbsp;C/mol), iar {{mvar|V<sub>r</sub>}} este tensiunea celulei în circuit deschis (reversibilă), care depinde de temperatură. În condiții standard tensiunea reversibilă a celulei este:<ref name=E349/>
:<math>V_r^0 = -\frac{\Delta G^0}{nF} \,</math>.

Randamentul ideal al unei pile de combustie este:<ref name=E349/>
:<math>\eta_{id} = \frac{\Delta G}{\Delta H} = 1-\frac{\Delta S}{\Delta H}T \,</math>.

Randamentul este de 100&nbsp;% dacă <math>\Delta S=0 \,</math>, ceea ce se întâmplă dacă numărul de moli de gaz nu se schimbă, de exemplu în reacția <math> C + O_2 = CO_2 \,</math>. Dacă <math>\Delta S>0 \,</math> în reacție nu intervine doar energia <math>\Delta H \,</math>, ci și o cantitate de căldură <math>T\Delta S \,</math>, 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, {{mvar|p}}:<ref>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 350</ref>
:<math>V_r=V_r^0-\frac{RT}{nF}\sum_i \nu_i ln\left(\frac{p_i}{p_i^0}\right)</math>
unde {{mvar|R}} este constanta universală a gazelor ({{mvar|R}}&nbsp;= 8,3145&nbsp;J/mol&nbsp;K), iar <math>\nu_i \,</math> este numărul de moli din reactantul <math>i\,</math>.
[[Fișier:Fuel cell voltage (ro).png|thumb|Căderile de tensiune într-o pilă de combustie cu hidrogen în funcție de curent]]
[[Fișier:Fuel cell efficiency (ro).png|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 <math>R_e \,</math> a electrozilor și electrolitului apare o cădere de tensiune proporțională cu intensitatea curentului {{mvar|i}}:<ref>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 351</ref>
:<math>\Delta V_\Omega = R_e i</math>.

Altă cădere de tensiune apare datorită necesității de a învinge barierele de activare, cădere care este liniară în funcție de logaritmul intensității:<ref name=E352>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 352</ref>
:<math>\Delta V_a = \frac{RT}{\beta nF} ln\left(\frac{i}{i_0} \right) = a + bi</math>
unde <math>\beta \,</math> este o constantă de proces, iar <math>i_0 \,</math> 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, <math>\Delta V_{c1} \,</math> și <math>\Delta V_{c2} \,</math>, a căror sumă este:<ref name=E352/>
:<math>\Delta V_c = \Delta V_{c1}+\Delta V_{c2} = \frac{RT}{nF}ln \left(\frac{i_L+1}{ i_L-1}\right) </math>
unde <math>i_L \,</math> este intensitatea limită.

Similar, dacă în fluxul de reactanți apar variații de concentrații (de exemplu prin epuizarea reactanților în zona catalizatorilor la sarcini mari<ref name=JL/>), care se pot exprima prin presiuni, apare căderea de tensiune:<ref name=E353>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 353</ref>
:<math>\Delta V_g = \frac{RT}{ nF} ln\left(\frac{p}{p_0} \right) </math>

Se poate defini randamentul pilei ca raport între tensiunea furnizată {{mvar|V}} și tensinea reversibilă în condiții standard:<ref name=E353/>
:<math>\eta_p = \frac{V}{V_r^0}\,</math>

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 {{mvar|A}} și oxidantul {{mvar|B}}, rezultând produsele {{mvar|C}} și {{mvar|D}} este:<ref name=E354>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 354</ref>
:<math>A+x_BB \rightarrow x_CC+x_DD.</math>

Debitul masic de combustibil pentru curentul {{mvar|i}} este:<ref name=E354/>
:<math>\dot m_A=\frac{M_Ai}{1000\,nF}</math> &nbsp; &nbsp; [kg/s]
unde {{mvar|M<sub>A</sub>}} este masa molară a combustibilului, în [g/mol].

Raportul [[stoechiometrie |stoechiometric]] dintre oxidant și combustibil este:<ref name=E354/>
:<math>\frac{\dot m_B}{\dot m_A }=\frac{x_BM_B}{M_A} \,</math>.

Pentru o pilă cu hidrogen, raportul stoechiometric este:<ref name=E355>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 355</ref>
:<math>\left(\frac{\dot m_B}{\dot m_A }\right)_{sto} = \frac{0,5\cdot M_{O2}}{M_{H2}} = \frac{0,5\cdot 32}{2,016} = 7,937</math>

Coeficientul de excedent de aer este definit drept raportul dintre cantitatea reală de oxidant care intră în reacție și cantitatea stoechiometrică:<ref name=E355/>
:<math>\lambda = \frac{\left(\dot m_B/\dot m_A\right)_{real}}{\left(\dot m_B/\dot m_A\right)_{sto}}</math>

Dacă <math>\lambda < 1 \,</math> amestecul este bogat, la <math>\lambda = 1 \,</math> amestecul este stoechiometric, iar la <math>\lambda > 1 \,</math> amestecul este sărac. Întotdeauna pilele de combustie lucrează cu amestec sărac (<math>\lambda > 1</math>) 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:<ref name=E355/>
:<math>\left(\frac{\dot m_{aer}}{\dot m_{H2}}\right)_{sto} = \frac{0,5 \cdot M_{O2}/0,232}{M_{H2}} = \frac{0,5 \cdot 32 / 0,232}{2,016} = 34,21 \,</math>.

== Construcție și tipuri ==
[[Fișier:Fuel cell.svg|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: [[anod]]ul, [[electrolit]]ul și [[catod]]ul. 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.

Elementele caracteristice unui anumit tip de pilă de combustie sunt:
* Electrolitul, care definește de obicei ''tipul'' pilei de combustie, și poate fi de exemplu [[hidroxid de potasiu]], săruri ([[carbonat |carbonați]]) și [[acid fosforic |acidul fosforic]].<ref name=egr>{{en icon}} {{Cite news| url=http://www.energygroove.net/technologies/fuel-cells| title=Fuel Cells |work=EnergyGroove.net|access-date=2021-04-21}}</ref>
* Combustibilul folosit. Combustibilul obișnuit este hidrogenul.
* Catalizatorul anodic, de obicei pulbere fină de [[platină]]. Acesta descompune combustibilul în electroni și ioni.
* Catalizatorul catodic, de multe ori [[nichel]]. Acesta transformă ionii în produsele finale ale reacțiilor chimice, cel mai adesea apă.<ref name=TTI>{{en icon}} {{Cite news|url=https://textechindustries.com/high-performance-materials| title=High-Performance Materials| work=Tex Tech Industries|access-date=2021-04-21}}</ref>
* Straturi de difuzie a gazelor, concepute pentru a rezista la oxidare.<ref name=TTI/>

Pentru a funcționa, o pilă de combustibil are nevoie și de următoarele echipamente auxiliare:<ref name=O>Oana Oneț, Elena Breaz, Dumitru Pop, Daniela Bordencea, Radu Tîrnovan, [http://stiintasiinginerie.ro/wp-content/uploads/2014/01/19EFICIEN%C5%A2A-UNEI-PILE-CU-COMBUSTIBIL-CU.pdf ''Eficiența unei pile cu combustibil cu membrană schimbătoare de protoni''], stiintasiinginerie.ro, A XI-a Conferință Națională „Dorin Pavel”, Sebeș, 2011, accesat 2021-04-21</ref>
* compresorul de aer (ridică presiunea aerului la 2–5 bar),
* pompa de circulație a lichidului de răcire,
* ventilatorul sistemului de răcire,
* pompa de circulație a combustibilului,
* echipamentul electronic de coordonare și comandă.

Aceste echipamente consumă o parte din energia electrică produsă de pilă. Cel mai mare consumator este compresorul, al cărui consum este de circa 10&nbsp;% din curentul produs de pilă. Celelalte echipamente consumă mult mai puțin&nbsp;— la proiectare, în primă aproximație, consumul lor poate fi neglijat.

O celulă tipică dintr-o pilă de combustibil produce o tensiune de 0,6–0,7&nbsp;V la sarcină maximă. Pentru a furniza tensiunea și intensitatea de curent dorită celulele pot fi legate în serie pentru a se obține tensiunea necesară și în paralel pentru a se obține intensitatea de curent necesară. De asemenea, pentru a obține o intensitate mai mare se pot folosi pile cu suprafață de reacție a celulelor mai mare.

După modul de utilizare a combustibilului clasificarea pile de combustie este:<ref name=O/>
* [[Pilă de combustie cu alimentare directă cu metanol| pile de combustie cu alimentare directă]], alimentate cu combustibil din rezervor,
* [[Pilă de combustie cu alimentare indirectă cu metanol |pile de combustie cu alimentare indirectă]], prevăzute suplimentar cu sistem de reformare catalitică, fiind alimentate cu metanol, etanol, gaz metan, benzină, hidrazină, amoniac etc., din care rezultă prin reformare hidrogenul.

După temperatura de funcționare există:<ref name=O/>
* pile de combustie de temperaturi joase (< 200 °C),
* pile de combustie de temperaturi medii (200–600 °C),
* pile de combustie de temperaturi înalte (> 600 °C).

După electrolit și combustibil, cele mai cunoscute sunt:<ref name=O/>
* pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni ({{en|proton exchange membrane fuel cell}}&nbsp;— PEMFC),
* pile de combustie cu acid fosforic ({{en|phosphoric acid fuel cell}}&nbsp;— PAFC),
* pile de combustie alcaline ({{en|alkaline fuel cell}}&nbsp;— AFC),
* pile de combustie cu carbonat topit ({{en|molten carbonate fuel cell}}&nbsp;— MCFC),
* pile de combustie cu oxizi solizi ({{en|solid oxide fuel cell}}&nbsp;— SOFC),
* pile de combustie cu alimentare directă cu metanol ({{en|direct methanol fuel cell}}&nbsp;— DMFC),
* pile de combustie cu alimentare indirectă cu metanol ({{en|indirect methanol fuel cell}}&nbsp;— IMFC, {{en|reformed methanol fuel cell}}&nbsp;— RMFC),
* pile de combustie cu alimentare directă cu etanol ({{en|direct ethanol fuel cell}}&nbsp;— DEFC).

=== Pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) ===
[[Fișier:Proton Exchange Fuel Cell Diagram (ro).svg|thumb|Schema de principiu a unei pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni]]
{{Articol principal|Pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni}}
Pilele de combustie cu [[membrană schimbătoare de protoni]] (PEMFC, PEM) sunt formate dintr-un ansamblu  de electrozi–membrană (MEA) care includ [[electrod |electrozii]], [[electrolit]]ul, [[catalizator]]ii și straturile de [[difuziune]] a [[gaz]]elor. 

Catalizatorii, [[carbon]]ul și electrozii sunt conținuți într-o vopsea aplicată pe electrolitul solid, iar apoi pe ambele părți este presată la cald o [[hârtie]] cu carbon pentru a proteja interiorul celulei, îndeplinind și funcția de electrozi. Partea esențială a celulei sunt zonele de contact unde apare câte un strat triplu (TPB) în care electrolitul, catalizatorul și reactanții se amestecă și au loc efectiv reacțiile [[electrochimie |electrochimice]].<ref name="Millington">{{en icon}} {{cite journal | last1 = Millington | first1 = Ben | last2 = Du | first2 = Shangfeng | last3 = Pollet | first3 = Bruno G. | year = 2011 | title = The Effect of Materials on Proton Exchange Membrane Fuel Cell Electrode Performance | journal = Journal of Power Sources | volume = 196 | issue = 21| pages = 9013–017 | doi=10.1016/j.jpowsour.2010.12.043}}</ref> Un aspect foarte important este că membrana nu trebuie să conducă curentul electric, astfel încât reacțiile de la catod și anod nu se amestecă.

Electrolitul este un copolimer solid din acid perfluorosulfonic (C<sub>9</sub>HF<sub>17</sub>O<sub>5</sub>S&nbsp;— PFSA, [[Nafion]]<sup>®</sup>) și [[politetrafluoroetilenă]] ( (C<sub>2</sub>F<sub>4</sub>)<sub>n</sub>&nbsp;— PTFE, [[Teflon]]<sup>®</sup>).<ref>Eshani, ș.a., ''Modern…'', p. 357</ref> Denumirea copolimerului este tot Nafion, cele mai folosite fiind Nafion 112, 115 și 117. Catalizatorii sunt în special [[platină |platina]].

Aceste pile  funcționează la temperaturi/presiuni relativ mici, (50–100{{te}} / 2–5&nbsp;[[bar]]). Randamentul energetic maxim teoretic rezultă din [[energie liberă Gibbs |energia liberă Gibbs]] <math>\Delta G=-237,13</math> kJ/mol și căldura de ardere a hidrogenului <math>\Delta H=-285,84</math> kJ/mol și este de 83&nbsp;% la 298&nbsp;K.<ref>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 348</ref>

Datorită căderilor interioare de tensiune randamentul practic al acestor pile este de c.&nbsp;50–60&nbsp;%.<ref>Eshani ș.a., ''Modern…'', p.&nbsp;354, 358</ref> Faptul că lucrează la temperaturi relativ mici&nbsp;— deci pornesc repede&nbsp;— și puterile convenabile le recomandă pentru a fi folosite la acționarea autovehiculelor.<ref>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 358</ref>

=== Pile de combustie cu acid fosforic (PAFC) ===
Pilele de combustie cu acid fosforic (PAFC) sunt similare cu pilele de combustie cu membrană schimbătoare de protoni. Au aceeași schemă de principiu și aceleași reacții chimice la anod și la catod. Electrolitul este format din acid fosforic (H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>) cu înaltă concentrație, într-un suport de [[carbură de siliciu]] (SiC, carborund), iar catalizatorul este tot platina.<ref name=E361>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 361</ref> Acidul creează probleme datorită coroziunii. Lucrează la temperaturi mai mari, de 160–220&nbsp;°C.<ref name=E361/><ref name="americanhistory.si.edu">{{en icon}} {{Cite web|url=https://americanhistory.si.edu/fuelcells/phos/pafcmain.htm|title=Collecting the History of Phosphoric Acid Fuel Cells|website=americanhistory.si.edu}}</ref> Randamentul lor electric este în jur de 40&nbsp;%, ceea ce le recomandă pentru instalații staționare cu producerea combinată a energiei electrice și căldurii (cogenerare), caz în care randamentul energetic poate ajunge la 80&nbsp;%.<ref name="americanhistory.si.edu"/> Electrolitul se solidifică sub 42&nbsp;°C, astfel că ele trebuie încălzite înainte de pornire. Nu sunt potrivite pentru autovehicule.<ref name=E361/>

=== Pile de combustie alcaline (AFC) ===
[[Fișier:Alkaline fuel cell (ro).png|thumb|Schema de principiu a unei pile de combustie alcaline]]
{{Articol principal|Pilă de combustie alcalină}}
Pilele de combustie alcaline consumă hidrogen și oxigen pur într-o reacție [[redox]] ca și pilele precedente. Contrar pilelor de combustie acide, apa se formează la anod.<ref>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 359</ref>

Cei doi electrozi sunt separați de un strat [[ceramică |ceramic]] poros saturat cu o soluție apoasă alcalină, cum ar fi [[hidroxid de potasiu |hidroxidul de potasiu]] (KOH), care formează electrolitul. Ionii care-l traversează sunt de [[hidroxil]] (OH<sup>–</sup>). Principala problemă a acestor pile este sensibilitatea electrolitului la acțiunea dioxidului de carbon, cu care formează [[carbonat de potasiu]], care otrăvește pila. Din această cauză, pilele de combustie alcaline funcționează de obicei cu oxigen pur (cum este cazul la aplicațiile spațiale), sau cel puțin cu aer și combustibil (de exemplu hidrogen obținut prin reformarea [[alcool]]ilor) purificat, ceea ce necesită prezența în instalație a scruberelor care să curețe cât mai mult posibil dioxidul de carbon.<ref name=DoD/><ref name=E360>Eshani ș.a., ''Modern…'', p. 360</ref> Datorită acestui efect de otrăvire, există două variante principale de AFC: cu electrolit static și cu electrolit care curge. Pentru maximizarea performanțelor aceste pile folosesc catalizatori de [[platină]], însă se pot folosi și catalizatori mai ieftini ca [[argint]]ul și [[nichel]]ul.<ref>{{en icon}} {{cite web|url=https://www.reuters.com/article/environmentNews/idUSL1461117220070914|title=Platinum-free fuel cell developed in Japan|author=Reuters Editorial|date=14 September 2007|work=Reuters|accessdate=26 February 2016}}</ref>

Pilele de combustie alcaline pot lucra în domenii largi de presiune și temperatură, de 2,2–45&nbsp;bar și 80–220&nbsp;°C. Au un randament mare, de c.&nbsp;60&nbsp;%.<ref name=egov>{{en icon}} [https://www.energy.gov/eere/fuelcells/comparison-fuel-cell-technologies Comparison of Fuel Cell Technologies], energy.gov, accesat 2021-04-23</ref><ref>{{en icon}} Daniel K. Rickleff, [https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a520073.pdf ''Hydrogen Powered Military Vehicles: A Vision or Reality by 2040?''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210424124740/https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a520073.pdf |date=2021-04-24 }}, dtic.mil, 2004, accesat 2021-04-24</ref> În anii 1960 [[NASA]] a folosit acet tip de pile în [[Programul Apollo]] și pentru [[navetă spațială |naveta spațială]]. Deși acest tip de pile de combustie a fost folosit pe larg în tehnica spațială,<ref name=DoD/> datorită necesității de a folosi hidrogen și oxigen pur folosirea lor la autovehicule este sporadică.

=== Pile de combustie cu carbonat topit (MCFC) ===
[[Fișier:MCFC fuel cell (ro).png|thumb|Schema de principiu a unei pile de combustie cu carbonat solid]]
{{Articol principal|Pilă de combustie cu carbonat topit}}
Pilele de combustie cu carbonat topit (MCFC) lucrează la[temperatură înaltă, de 600&nbsp;°C sau mai mult. Principalul lor avantaj este că pot fi alimentate direct cu diferiți combustibili care conțin carbon, ca [[gaz natural |gazul natural]], [[biogaz]]ul și chiar praful de [[cărbune]], deoarece folosesc un electrolit format din săruri topite ([[carbonat |carbonați]]), plasate într-un suport ceramic inert din punct de vedere chimic, care nu sunt afectate de prezența dioxidului de carbon. Ionii pozitivi care trec prin electrolit sunt ionii de [[carbonat]] (CO<sub>3</sub><sup>2–</sup>), pentru formarea cărora este necesară la catod o sursă de CO<sub>2</sub>, care însă poate fi CO<sub>2</sub> recirculat de la anod.<ref name=E362>Eshani, ''Modern…'', p. 362</ref> Temperatura necesară topirii sărurilor este de peste 600&nbsp;°C. La această temperatură, dacă combustibilul este o [[hidrocarbură]], extragerea hidrogenului necesar producției de curent se face printr-un proces de reformare direct în pilă, astfel că nu mai este nevoie de o unitate de reformare externă, pila făcînd parte din categoria pilelor cu alimentare directă cu hidrocarburi. Tot datorită temperaturilor înalte, la [[anod]] și [[catod]] se pot folosi catalizatori relativ ieftini, cum ar fi [[nichel]]ul.<ref>{{en icon}} {{Cite web|url = http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:12059/FULLTEXT01.pdf|title = The anode and the electrolyte in the MCFC|date = 2007|access-date = 1 November 2015|website = Diva Portal|last = Bodén|first = Andreas}}</ref><ref name=AW>{{en icon}} {{Cite web|url = https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:9666/FULLTEXT01.pdf|title = Development and Characterisation of Cathode Materials for the Molten Carbonate Fuel Cell|date = 2004|access-date = 26 April 2021|last = Wijayasinghe|first = Athula}}</ref>

Randamentul lor pe partea electrică este bun, de c.&nbsp;50–60&nbsp;%, iar dacă se folosește și căldura produsă, randamentul energetic poate atinge 85&nbsp;%.<ref name=egov/><ref name=DoD>{{en icon}} Daniel K. Rickleff, [https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a520073.pdf ''Hydrogen Powered Military Vehicles: A Vision or Reality by 2040?''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210424124740/https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a520073.pdf |date=2021-04-24 }}, dtic.mil, 2004, accesat 2021-04-24</ref> Puterile relativ mari, până la 3&nbsp;MW, le fac potrivite pentru furnizarea de energie electrică și termică în cogenerare pentru obiective staționare, cum ar fi unități industriale, spitale, obiective izolate sau militare.<ref name=EERE>{{en icon}} {{Cite web | title = Types of Fuel Cells | work = Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, United States Department of Energy | url = https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells | access-date = 2021-04-25}}</ref><ref name=uci>{{en icon}} {{Cite web|title = NFCRC Tutorial: Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)|url = http://www.nfcrc.uci.edu/3/TUTORIALS/EnergyTutorial/mcfc.html|website = www.nfcrc.uci.edu|access-date = 2015-11-02|archive-url = https://web.archive.org/web/20181008011445/http://www.nfcrc.uci.edu/3/TUTORIALS/EnergyTutorial/mcfc.html|archive-date = 2018-10-08|url-status = dead}}</ref> Deși teoretic pot fi alimentate cu [[benzină]],<ref name=E362/><ref>{{en icon}} R.P. Siegel, [https://www.triplepundit.com/story/2012/fuel-cell-energy-pros-and-cons/81846 ''Fuel Cell Energy: Pros and Cons''], triplepundit.com, 10 mai 2012, accesat 2021-04-26</ref> deoarece trebuie încălzite în prealabil pentru topirea electrolitului, durabilitatea lor este redusă, pornirea este lentă și răspund lent la variații de sarcină, motive pentru care nu sunt potrivite pentru autovehicule.<ref name=E362/>

=== Pile de combustiel cu oxizi solizi (SOFC) ===
{{Articol principal|Pilă de combustie cu oxizi solizi }}
[[Fișier:SOFC fuel cell (ro).png|thumb|Schema de principiu a unei pile de combustie cu oxizi solizi]]
Pilele de combustie cu oxizi solizi sunt caracterizate prin electrolitul lor format din oxizi în stare solidă care conduc ionii negativi de oxigen de la catod la anod similar cu modul de conducție al sarcinilor pozitive în materialele [[semiconductor|semiconductoare]]. Oxidarea electrochimică a hidrogenului, monoxidului de carbon sau a altor intermediari organici de către ionii de oxigen apare astfel pe partea anodului. Acestea funcționează la temperaturi foarte ridicate, de obicei 500–1000&nbsp;°C.<ref name=E362>Eshani, ''Modern…'', p. 362</ref> La aceste temperaturi, SOFC nu necesită catalizatori scump, de exemplu platină, așa cum este necesar în prezent la pilele de combustie care funcționează la temperaturi reduse, cum ar fi pilele pilele cu membrană schimbătoare de protoni, și nu sunt vulnerabile la otrăvirea catalizatorului cu monoxid de carbon.<ref name=E363>Eshani, ''Modern…'', p. 363</ref> Însă aceste pile sunt vulnerabile la otrăvirea cu [[sulf]], care trebuie îndepărtat, uzual prin utilizarea materialelor [[adsorbție |adsorbante]], sau a altor mijloace.<ref name=RK>{{en icon}} R. Kerr, [https://www.energy.gov/sites/default/files/2016/04/f30/fcto_gas_cleanup_pl12-kerr.pdf ''Effect of Sulfur on SOFC Performance Using Diesel Reformate''], energy.gov, Workshop on Gas Cleanup for Fuel Cell Applications, ANL, 6–7 March 2014, accesat 2021-04-28</ref><ref name=Wang>{{en icon}} Fangfang Wang, Haruo Kishimoto, Tomohiro Ishiyama, Katherine Develos-Bagarinao, Katsuhiko Yamaji, Teruhisa Horita, HarumiYokokawa, [https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320310673 ''A review of sulfur poisoning of solid oxide fuel cell cathode materials for solid oxide fuel cells''], Journal of Power Sources, Volume 478, 1 December 2020, 228763</ref> Există și pile (PC-SOFC) ai căror electroliți conduc protoni în loc de ioni de oxigen, având avantajul că pot funcționa la temperaturi mai scăzute decât pilele cu oxizi solizi tradiționale.<ref name=E362/>

[[Fișier:SOFC-en.svg|thumb|Secțiune transversală printr-un tub al unei SOFC cu electrolit tubular; de la interior spre exterior cele trei straturi ceramice sunt catodul poros, electrolitul dens și anodul poros]]
Spre deosebire de majoritatea celorlalte tipuri de pile de combustie, SOFC-urile pot avea două geometrii diferite. Geometria tipică a pilelor de combustie este cea planară, de tip sandwich, unde electrolitul este intercalat între electrozi. Cealaltă variantă este geometria tubulară unde aerul sau combustibilul sunt trecute prin interiorul tubului și celălalt gaz este trecut prin exteriorului tuburilor. Designul tubular este avantajos, deoarece etanșarea între gaze este mult mai ușor de realizat. Totuși, performanța pilelor cu electrolit plan este în prezent mai bună decât performanța pilelor cu electrolit tubular deoarece construcția plană are o rezistență hidrodinamică la curgerea gazelor mai mică.<ref name=E363/>

Avantajele acestor pile sunt că pot fi alimentate direct cu diferiți combustibili, inclusiv [[metan]]ul, [[propan]]ul și [[butan]]ul, pot fi reformate intern la anod. SOFC-urile pot fi alimentate și cu hidrocarburi mai grele, reformate în exterior, cum ar fi [[benzină |benzina]], [[motorină |motorina]], petrolul pentru aviație (JP-8) sau diverși [[biocombustibil]]i. Produsele reacțiilor de reformare sunt amestecuri de hidrogen, [[monoxid de carbon]], [[dioxid de carbon]], [[abur]] și metan, formate prin reacția combustibililor care conțin hidrocarburi cu aerul sau cu aburul într-un dispozitiv din amonte de anodul SOFC. Sistemele de alimentare SOFC pot crește eficiența utilizând căldura degajată de oxidarea electrochimică [[proces exoterm |exotermă]] din pila de combustibil pentru [[proces endoterm |procesul endoterm]] de [[reformare cu abur]]. În plus, combustibilii solizi, cum ar fi [[cărbune]]le și [[biomasă |biomasa]] pot fi [[gazeificare |gazeificate]] pentru a forma gaz de cracare, care este bun la alimentarea SOFC.

Randamentul lor pe partea electrică este bun, de c.&nbsp;60&nbsp;%, iar dacă se folosește și căldura produsă, randamentul energetic poate atinge 85&nbsp;%. Sunt folosite ca surse de curent electric și căldură în industrie și în domeniul militar.<ref name=egov/><ref name=EERE/> Principalul dezavantaj este temperatura de funcționare ridicată, ceea ce duce la timpi mari de pornire și, datorită faptului că nu suportă șocurile termice, necesită un proces de încălzire uniform și bine reglat. Pachetele de electrolit ale SOFC cu geometrie plană necesită un timp de încălzire la temperatura de funcționare de ordinul unei ore. Geometriile cu electrolitul sub formă de microtuburi se încălzesc mult mai repede, pilele având timpi de pornire de ordinul minutelor.<ref>{{en icon}} {{Cite journal|last=Sammes|first=N.M. |display-authors=etal |date=2005|title=Design and fabrication of a 100 W anode supported micro-tubular SOFC stack|journal=Journal of Power Sources|volume=145|issue=2 |pages=428–434|doi=10.1016/j.jpowsour.2005.01.079|bibcode=2005JPS...145..428S }}</ref><ref>{{en icon}} {{Cite journal|last=Panthi|first=D. |display-authors=etal |date=2014|title=Micro-tubular solid oxide fuel cell based on a porous yttria-stabilized zirconia support|journal=Scientific Reports|volume=4|pages=5754|doi=10.1038/srep05754|pmid=25169166 |pmc=4148670 |bibcode=2014NatSR...4E5754P }}</ref>

Pilele de combustie cu oxid solid sunt utilizate ca unități de alimentare auxiliare cu puteri de la 1&nbsp;kW la 2&nbsp;MW. Randamentul lor pe partea electrică este de c.&nbsp;60&nbsp;%, iar dacă se folosește și căldura produsă în cogenerare, randamentul energetic poate atinge 85&nbsp;%.<ref name=DoD/><ref name=egov/><ref name=EERE/><ref name="e-collection.ethbib.ethz.ch">{{en icon}} Florian-Patrice Nagel, [http://e-collection.ethbib.ethz.ch/view/eth:41553 ''Electricity from wood through the combination of gasification and solid oxide fuel cells''], Ph.D. Thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, 2008</ref>

== Vezi și ==
* [[Conversia electrochimică a energiei]]
* [[Pilă de combustie enzimatică]]
* [[Pilă de combustie cu etanol]]

== Note ==
{{listănote|2}}

== Bibliografie ==
* {{en icon}} Mehrdad Eshani, Yimin Gao, Sebastien E. Gay, Ali Emadi, ''Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design'', Boca Raton, London, New York, Washington DC: CRC Press LLC, 2005, {{ISBN|0-8493-3154-4}}

== Lectură suplimentară ==
* I. Ștefănescu ș.a. ''Pile de combustibil - între teorie și practică'', Editura Conphys, Rm. Vâlcea, 2010
* Gabriel L. Pavel, ''Modelarea pilelor de combustie de tip PEMFC'', 2009
* D. Constantinescu, D.I. Văireanu, ''Tehnologia proceselor electrochimice'', Printech București, 2000
* S. Muscalu, V. Platon, ''Pile de combustie'', Editura Tehnică, București 1989
* I. G. Murgulescu, O. M. Radovici ''Introducere în chimia fizică, vol IV, "Electrochimia"'' Editura Academiei, București, 1986, p. 54-55
* A. Rădoi, ''Electromobilul'', Editura Tehnică, București, 1981
* [[Liviu Oniciu|L. Oniciu]], ''[[Conversia electrochimică a energiei]]'', Editura tehnică 1977
* [[Liviu Oniciu|L. Oniciu]], ''Pile de combustie'', Editura Dacia 1971

== Legături externe ==
* {{Commonscat-inline|Fuel cells|Pile de combustie}}
* {{en icon}} http://www.iaeng.org/publication/WCE2011/WCE2011_pp103-108.pdf
* {{en icon}} [https://web.archive.org/web/20170207143656/https://netl.doe.gov/publications/proceedings/05/carbon-seq/Tech%20Session%20Paper%20173.pdf Presentation to Fourth Annual Conference on Carbon Capture and Sequestration]

{{Portal|Energie}}

[[Categorie:Pile de combustie| ]]