Considerații privind evoluția și dezvoltarea pilelor de combustibil

Tania Cătărig (Rus)

Politica de dezvoltare și creștere economică a țărilor europene, și nu numai, în ultimii douăzeci de ani s-a concentrat pe căutarea de noi surse de energie și pe reducerea emisiilor de gaze poluante. S-au dezvoltat sisteme complexe de producere a energiei din resurse regenerabile, ce au la bază energia eoliană, solară, geotermală și  hidro. Pe lângă aceste resurse regenerabile, tehnologia pilelor de combustibil a primit o atenție sporită din partea cercetătorilor, deoarece pot juca un rol important în atingerea obiectivelor naționale de aer curat, protecția mediului și securitatea energetică. Sistemele de pile de combustibil pot satisface cele mai dure standarde de poluare a aerului și pot reduce semnificativ emisiile de dioxid de carbon comparativ cu sursele tradiționale de energie folosite. În această lucrare este prezentată evoluția și dezvoltarea pilelor de combustibil, de la decoperirea lor până în zilele noastre.

1. Introducere

La începutul secolului al XIX-lea, anul 1839, un om de știință galez, Sir William Robert Grove, a descoperit că prin dispunerea a doi electrozi de platină, cu un capăt din fiecare cufundat într-un recipient cu acid sulfuric și celălalt capăt separat sigilat în recipiente de oxigen și hidrogen, un curent constant curge între electrozi. Similar, un om de știință elvețian, Christian F. Shoenbein, a descoperit independent același efect aproximativ în același an, sau poate chiar un an mai devreme. Cincizeci de ani mai târziu, în 1889, L. Mond și C. Langer își aduc aportul în perfecționarea pilei prin observarea fenomenului de diminuare în timp a reactivității negrului de platină în contact cu electroliții și de prelungire a duratei de viață a pilei prin păstrarea electrolitului în materiale poroase neconductoare.

Cu toate acestea, în ciuda eforturilor de a realiza un dispozitiv practic, „bateria voltaică gazoasă” cum a fost numită de Grove, a rămas o curiozitate științifică aproape un secol.

Englezul Francis T. Bacon a început în 1937 să lucreze la utilizarea practică a pilelor și a dezvoltat o pilă de combustibil de 6 kW pe la sfârșitul anilor ’50. În anii ’60, în sectorul cercetării s-au făcut progrese simțitoare, pilele de combustibil intrând în competiție cu alte sisteme de conversie. Primele aplicații practice au fost utilizate de către NASA în Programele Spațiale. Compania General Electric a dezvoltat primele pile de combustibil cu membrane polimerice, care au fost utilizate în cadrul a șapte misiuni ale Programului Gemini, iar apoi în Programul Spațial Apollo, pentru generarea de electricitate pentru supraviețuire, ghidare și comunicații.

2. Evoluția și dezvoltarea pilelor de combustibil

În anii ’70 a apărut gradul de conștientizare asupra mediului înconjurător în rândul guvernelor, întreprinderilor și persoanelor fizice. Determinate de îngrijorarea poluării aerului, guvernele din Statele Unite ale Americii și Europa au adoptat o legislație privind aerul curat, ce presupunea reducerea emisiilor nocive de la gazele de eșapament, legislație ce a fost adoptată apoi în multe țări din întreaga lume. Aerul curat și eficiența energetică au ajuns  să devină două dintre principalele motive în adoptarea pilelor de combustibil, la care s-au adăugat, în deceniile următoare, schimbările climatice și securitatea energetică. În anii ’70 a fost, de asemenea, perioada de embargouri de petrol, care a condus guvernele, întreprinderile și consumatorii să îmbrățișeze conceptul de eficiență energetică. Temerile cu privire la disponibilitatea petrolului au dus la dezvoltarea unui număr de vehicule demonstrative cu pile de combustibil, inclusiv modele alimentate cu hidrogen sau amoniac, precum și motoare cu ardere internă alimentate cu hidrogen. Mai mulți producători de autovehicule germani, japonezi și americani au început să experimenteze creșterea densității de putere la ansamblurile cu PEMFC (pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni) și au dezvoltat sisteme de stocare a hidrogenului. Până la sfârșitul secolului toți marii producători de automobile aveau aplicații demonstrative ale vehiculelor electrice cu pile de combustibil.

În anii ’80 s-a continuat cu dezvoltarea tehnică și comercială, în special în zona PAFC (pile de combustibil cu acid fosforic). S-a prezis un viitor luminos pentru această tehnologie pentru aplicațiile staționare și autobuze. Proiecte ambițioase au fost publicate pentru aplicații în centrale de putere în serviciul municipalităților, de până la 100 MW. Optimiștii previzionau zeci de mii de unități în funcțiune până la sfârșitul secolului, însă numai câteva sute au apărut. Cu progresele ulterioare realizate în ceea ce privește durabilitatea și performanța sistemului, PAFC au apărut în număr mai mare abia două decenii mai târziu, când au fost utilizate la scară largă pentru aplicații de cogenerare de energie electrică și termică.

De asemenea, în 1980 a continuat cercetarea, dezvoltarea și demonstrațiile privind utilizarea pilelor de combustibil pentru aplicații în transport. Marina Statelor Unite ale Americii a comandat numeroase studii privind utilizarea pilelor de combustibil în submarine, unde eficiența, zero emisii și silențiozitatea au oferit avantaje operaționale considerabile.

În anii ’90 atenția cercetătorilor s-a orientat către tehnologia PEMFC și SOFC (pile de combustibil cu oxizi solizi), în special pentru aplicațiile staționare mici. Acestea au fost văzute ca oferind posibilitatea unei comercializări mai rapide datorită costurilor mai mici pe unitate și numărului mare de potențiale piețe de desfacere, de exemplu pentru putere de rezervă în domeniul telecomunicațiilor și centrelor de date și pentru micro-cogenerare în aplicații rezidențiale. În Germania, Japonia și Marea Britanie, guvernele au început să finanțeze semnificativ tehnologia PEMFC și SOFC pentru aplicații rezidențiale de micro-cogenerare. De asemenea au continua politicile guvernamentale de promovare a transportului curat, ceea ce a condus la dezvoltarea PEMFC pentru aplicațiile auto.

Articolul integral îl puteți citi in ediția tipărită a revistei Electricianul nr. 3/2014.