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Cet article examine plus en détail leur conception, leur classification, leurs avantages et inconvénients, leur champ d'application, leur efficacité, leur histoire de création et leurs perspectives d'utilisation modernes.

Utiliser les piles à combustible pour alimenter les bâtiments

Partie 1

Cet article examine plus en détail le principe de fonctionnement des piles à combustible, leur conception, leur classification, leurs avantages et inconvénients, leur champ d'application, leur efficacité, leur histoire de création et leurs perspectives d'utilisation modernes. Dans la deuxième partie de l'article, qui sera publié dans le prochain numéro du magazine ABOK, donne des exemples d'installations où différents types de piles à combustible ont été utilisées comme source de chaleur et d'alimentation électrique (ou uniquement comme source d'alimentation électrique).

L'eau peut être stockée même dans les deux sens sous forme comprimée ou liquéfiée, mais il s'agit également de boues, toutes deux causées par d'importants problèmes techniques. Cela est dû aux pressions élevées et aux températures extrêmement basses dues à la liquéfaction. Pour cette raison, par exemple, un support de distribution d'eau et de carburant doit être conçu différemment de ce à quoi nous sommes habitués : l'extrémité de la ligne de remplissage relie le bras robotique à une vanne sur la voiture. La connexion et le remplissage sont assez dangereux et il est donc préférable que cela se fasse sans présence humaine.

Introduction

Les piles à combustible constituent un moyen très efficace, fiable, durable et respectueux de l’environnement de produire de l’énergie.

Initialement utilisées uniquement dans l'industrie spatiale, les piles à combustible sont aujourd'hui de plus en plus utilisées dans divers domaines : centrales électriques stationnaires, alimentation en chaleur et en électricité des bâtiments, moteurs de véhicules, alimentation électrique pour ordinateurs portables et téléphones portables. Certains de ces appareils sont des prototypes de laboratoire, d'autres font l'objet de tests de pré-production ou sont utilisés à des fins de démonstration, mais de nombreux modèles sont produits en série et utilisés dans des projets commerciaux.

Un tel appareil est en cours de test à l'aéroport de Munich, essayez de conduire ici avec des voitures individuelles et des bus. Un kilométrage élevé, c'est cool, mais en pratique, c'est tout aussi important que le nombre de kilos que cela coûtera et l'espace dans la voiture qu'un réservoir de carburant solide et isolé prendra. Quelques autres problèmes avec l'eau : - créer un bain d'air complexe - problème avec les garages, ateliers de réparation automobile, etc. - grâce à une petite molécule pénétrant dans chaque goulot d'étranglement, vis et vannes - la compression et la liquéfaction nécessitent une dépense énergétique importante.

Une pile à combustible (générateur électrochimique) est un dispositif qui convertit l'énergie chimique du carburant (hydrogène) en énergie électrique directement par une réaction électrochimique, contrairement aux technologies traditionnelles qui utilisent la combustion de combustibles solides, liquides et gazeux. La conversion électrochimique directe du carburant est très efficace et intéressante du point de vue environnemental, car le processus de fonctionnement produit une quantité minimale de polluants et il n'y a pas de bruit ou de vibration important.

Les pressions spéciales, la compression et l'ensemble des mesures de sécurité nécessaires ont une très bonne valeur dans l'évaluation au bout de l'eau, par rapport aux combustibles liquides à base d'hydrocarbures, qui sont produits à l'aide de conteneurs légers sans pression. Par conséquent, des circonstances très urgentes peuvent peut-être contribuer à son plaisir vraiment flatteur.

Dans un avenir proche, les constructeurs automobiles sont toujours à la recherche de carburants liquides moins chers et relativement moins dangereux. Le produit thermofusible peut être du méthanol, qui peut être extrait relativement facilement. Son principal et unique problème est la toxicité, cependant, comme l'eau, le méthane peut être utilisé aussi bien dans les moteurs à combustion interne que dans un certain type de chaîne de carburant. Il présente également certains avantages dans les moteurs à combustion interne, notamment en termes d'émissions.

D'un point de vue pratique, une pile à combustible ressemble à une batterie voltaïque classique. La différence est que la batterie est initialement chargée, c’est-à-dire remplie de « carburant ». Pendant le fonctionnement, du « carburant » est consommé et la batterie est déchargée.

À cet égard, l'eau peut monter jusqu'à une concurrence relativement inattendue et pourtant efficace. La pile à combustible est une source de courant généré par une réaction électrochimique. Contrairement à toutes nos batteries connues, elle est alimentée en réactifs et les déchets sont constamment évacués, donc contrairement à une batterie, elle est quasiment inépuisable. Bien qu’il en existe de nombreux types différents, le schéma suivant d’une pile à combustible à hydrogène nous aide à comprendre son fonctionnement.

Le combustible est amené à l'électrode positive, où il est oxydé. L'oxygène O2 pénètre dans l'électrode négative et peut être réduit.

Il a même été possible de développer une pile à combustible brûlant directement du charbon. Puisque les travaux des scientifiques du laboratoire Lawrence Livermore, qui ont pu tester une pile à combustible convertissant directement le charbon en électricité, pourraient constituer une étape très importante dans le développement de l’énergie, nous nous arrêterons sur quelques mots. Un sol de charbon jusqu'à 1 micron est mélangé à 750-850°C avec du carbonate de lithium, de sodium ou de potassium fondu.

Pour produire de l'énergie électrique, on peut utiliser non seulement de l'hydrogène pur, mais également d'autres matières premières contenant de l'hydrogène, par exemple le gaz naturel, l'ammoniac, le méthanol ou l'essence. L'air ordinaire est utilisé comme source d'oxygène, également nécessaire à la réaction.

Lors de l'utilisation d'hydrogène pur comme carburant, les produits de réaction, en plus de l'énergie électrique, sont de la chaleur et de l'eau (ou de la vapeur d'eau), c'est-à-dire que les gaz qui polluent l'air ou provoquent l'effet de serre ne sont pas émis dans l'atmosphère. Si une matière première contenant de l'hydrogène, telle que le gaz naturel, est utilisée comme combustible, d'autres gaz tels que les oxydes de carbone et d'azote seront un sous-produit de la réaction, mais la quantité est bien inférieure à celle obtenue lors de la combustion de la même quantité d'hydrogène naturel. gaz.

Ensuite, tout se fait de manière standard selon le schéma ci-dessus : l'oxygène de l'air réagit avec le carbone en dioxyde de carbone et l'énergie est libérée sous forme d'électricité. Bien que l’on connaisse plusieurs types différents de piles à combustible, elles fonctionnent toutes selon le principe décrit. Il s'agit d'une sorte de combustion contrôlée. Lorsque l’on mélange de l’hydrogène avec de l’oxygène, on obtient un mélange de fission qui explose pour former de l’eau. L'énergie est libérée sous forme de chaleur. Une pile à combustible à hydrogène a la même réaction, le produit est aussi de l’eau, mais l’énergie est libérée sous forme d’électricité.

Le processus de conversion chimique du carburant pour produire de l’hydrogène est appelé reformage, et le dispositif correspondant est appelé reformeur.

Avantages et inconvénients des piles à combustible

Les piles à combustible sont plus économes en énergie que les moteurs à combustion interne car il n'y a aucune limitation d'efficacité énergétique thermodynamique pour les piles à combustible. L'efficacité des piles à combustible est de 50 %, tandis que celle des moteurs à combustion interne est de 12 à 15 % et que l'efficacité des centrales électriques à turbine à vapeur ne dépasse pas 40 %. En utilisant de la chaleur et de l’eau, l’efficacité des piles à combustible augmente encore davantage.

Le grand avantage d’une pile à combustible est qu’elle produit directement de l’électricité à partir d’un combustible, d’une manière ou d’une autre, sans centrale thermique intermédiaire, ce qui réduit les émissions et améliore l’efficacité. Il atteint 70 %, alors que, comme norme, nous atteignons 40 % de conversion du charbon en électricité. Pourquoi ne construisons-nous pas des piles à combustible géantes plutôt que des centrales électriques ? Une pile à combustible est un dispositif assez complexe qui fonctionne à des températures élevées, de sorte que les exigences en matière de matériaux d'électrode et d'électrolyte lui-même sont élevées.

Contrairement aux moteurs à combustion interne, par exemple, le rendement des piles à combustible reste très élevé même lorsqu’elles ne fonctionnent pas à pleine puissance.

De plus, la puissance des piles à combustible peut être augmentée en ajoutant simplement des unités individuelles, sans que l'efficacité ne change, c'est-à-dire que les grandes installations sont tout aussi efficaces que les petites. Ces circonstances permettent de sélectionner de manière très flexible la composition des équipements en fonction des souhaits du client et conduisent in fine à une réduction des coûts d'équipement.

L’intérêt a ensuite diminué lorsqu’il est devenu clair qu’une utilisation plus large dépassait les capacités de la technologie à l’époque. Cependant, au cours des trente dernières années, le développement ne s'est pas arrêté, de nouveaux matériaux et concepts sont apparus et nos priorités ont changé - nous accordons désormais beaucoup plus d'attention à la protection de l'environnement qu'auparavant. Nous assistons donc à une sorte de renaissance des piles à combustible, qui sont de plus en plus utilisées dans de nombreux domaines. Il existe 200 appareils de ce type dans le monde. Ils servent par exemple de périphérique de secours là où une panne de réseau pourrait causer de graves problèmes, par exemple dans les hôpitaux ou les établissements militaires.

Un avantage important des piles à combustible est leur respect de l’environnement. Les émissions des piles à combustible sont si faibles que dans certaines régions des États-Unis, leur fonctionnement ne nécessite pas d'approbation spéciale de la part des organismes gouvernementaux de réglementation de la qualité de l'air.

Les piles à combustible peuvent être placées directement dans un bâtiment, réduisant ainsi les pertes lors du transport d'énergie, et la chaleur générée par la réaction peut être utilisée pour fournir de la chaleur ou de l'eau chaude au bâtiment. Les sources autonomes de chaleur et d'électricité peuvent être très bénéfiques dans les zones reculées et dans les régions caractérisées par une pénurie d'électricité et son coût élevé, mais il existe en même temps des réserves de matières premières contenant de l'hydrogène (pétrole, gaz naturel).

Ils sont utilisés dans des endroits très reculés où il est plus facile de transporter du carburant que de tendre le câble. Ils pourraient également entrer en concurrence avec les centrales électriques. Il s'agit du module le plus puissant installé au monde.

Presque tous les grands constructeurs automobiles travaillent sur un projet de véhicule électrique à pile à combustible. Il s'agit d'un concept beaucoup plus prometteur qu'une voiture électrique à batterie conventionnelle, car elle ne nécessite pas un long temps de charge et le changement d'infrastructure requis n'est pas aussi important.

Les avantages des piles à combustible sont également la disponibilité du combustible, la fiabilité (il n'y a pas de pièces mobiles dans une pile à combustible), la durabilité et la facilité d'utilisation.

L'un des principaux inconvénients des piles à combustible aujourd'hui est leur coût relativement élevé, mais cet inconvénient pourra bientôt être surmonté : de plus en plus d'entreprises produisent des échantillons commerciaux de piles à combustible, elles sont constamment améliorées et leur coût diminue.

L’importance croissante des piles à combustible est également illustrée par le fait que l’administration Bush a récemment repensé son approche du développement automobile et que les fonds qu’elle a consacrés au développement de voitures ayant le meilleur kilométrage possible sont désormais transférés à des projets de piles à combustible. Le financement du développement ne reste pas simplement entre les mains de l’État.

Bien entendu, le nouveau concept de conduite ne se limite pas aux voitures particulières, mais on le retrouve également dans les transports en commun. Les bus à pile à combustible transportent des passagers dans les rues de plusieurs villes. Outre les lecteurs de voiture, il en existe un certain nombre de plus petits sur le marché, tels que des ordinateurs électriques, des caméras vidéo et des téléphones portables. Sur la photo, nous voyons une pile à combustible pour alimenter l'alarme routière.

Le moyen le plus efficace consiste à utiliser l’hydrogène pur comme carburant, mais cela nécessitera la création d’une infrastructure spéciale pour sa production et son transport.

Actuellement, toutes les conceptions commerciales utilisent du gaz naturel et des carburants similaires. Les véhicules à moteur peuvent utiliser de l'essence ordinaire, ce qui permettra de maintenir le réseau développé de stations-service existant.

Les chimistes ont développé un catalyseur qui pourrait remplacer le coûteux platine dans les piles à combustible. Au lieu de cela, il utilise environ deux cent mille fers bon marché. Les piles à combustible convertissent l'énergie chimique en énergie électrique. Les électrons de différentes molécules ont des énergies différentes. La différence d’énergie entre une molécule et une autre peut être utilisée comme source d’énergie. Trouvez simplement une réaction qui déplace les électrons du haut vers le bas. Ces réactions constituent la principale source d’énergie des organismes vivants.

Une autre caractéristique des piles à combustible est qu’elles sont plus efficaces lorsqu’elles utilisent simultanément l’énergie électrique et thermique. Cependant, toutes les installations n’ont pas la possibilité d’utiliser l’énergie thermique. Si les piles à combustible sont utilisées uniquement pour produire de l’énergie électrique, leur efficacité diminue, même si elle dépasse l’efficacité des installations « traditionnelles ».

La plus connue est la respiration, qui transforme les sucres en dioxyde de carbone et en eau. Dans une pile à combustible à hydrogène, des molécules d’hydrogène à deux atomes se combinent avec l’oxygène pour former de l’eau. La différence d’énergie entre les électrons de l’hydrogène et de l’eau est utilisée pour produire de l’électricité. Les piles à hydrogène sont probablement les plus couramment utilisées pour conduire les voitures aujourd’hui. Leur expansion massive évite également les petits accrochages.

Pour qu’une réaction riche en énergie ait lieu, un catalyseur est nécessaire. Les catalyseurs sont des molécules qui augmentent la probabilité qu'une réaction se produise. Sans catalyseur, cela pourrait aussi fonctionner, mais moins souvent ou plus lentement. Les cellules à hydrogène utilisent le précieux platine comme catalyseur.

Histoire et utilisation moderne des piles à combustible

Le principe de fonctionnement des piles à combustible a été découvert en 1839. Le scientifique anglais William Robert Grove (1811-1896) a découvert que le processus d'électrolyse - la décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène par le courant électrique - est réversible, c'est-à-dire que l'hydrogène et l'oxygène peuvent être combinés en molécules d'eau sans combustion, mais avec libération de chaleur et de courant électrique. Grove a appelé le dispositif dans lequel une telle réaction était possible une « batterie à gaz », qui était la première pile à combustible.

La même réaction qui se produit dans les cellules à hydrogène se produit également dans les cellules vivantes. Les enzymes sont des molécules relativement grosses constituées d’acides aminés qui peuvent être combinées comme des briques Lego. Chaque enzyme possède un site dit actif, où la réaction est accélérée. Des molécules autres que les acides aminés sont également souvent présentes sur le site actif.

Dans le cas de l’acide hydrogène, il s’agit du fer. Une équipe de chimistes, dirigée par Morris Bullock du Laboratoire du Pacifique du Département américain de l'énergie, a pu imiter la réaction sur le site actif d'hydrogénation. Comme une enzyme, l'hydrogénation du platine avec le fer est suffisante. Il peut diviser 0,66 à 2 molécules d'hydrogène par seconde. La différence de tension varie de 160 à 220 000 volts. Les deux sont comparables aux catalyseurs au platine actuellement utilisés dans les piles à hydrogène. La réaction est réalisée à température ambiante.

Le développement actif de technologies pour l’utilisation des piles à combustible a commencé après la Seconde Guerre mondiale et est associé à l’industrie aérospatiale. A cette époque, on recherchait une source d'énergie efficace et fiable, mais en même temps assez compacte. Dans les années 1960, les spécialistes de la NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) ont choisi les piles à combustible comme source d'énergie pour les engins spatiaux des programmes Apollo (vols habités vers la Lune), Apollo-Soyouz, Gemini et Skylab. Le vaisseau spatial Apollo utilisait trois centrales de 1,5 kW (2,2 kW en pointe) utilisant de l'hydrogène et de l'oxygène cryogéniques pour produire de l'électricité, de la chaleur et de l'eau. La masse de chaque installation était de 113 kg. Ces trois cellules fonctionnaient en parallèle, mais l'énergie générée par une unité était suffisante pour un retour en toute sécurité.

Un kilogramme de fer coûte 0,5 CZK. Le fer coûte donc 200 000 fois moins cher que le platine. À l’avenir, les piles à combustible pourraient être moins chères. Le platine coûteux n’est pas la seule raison pour laquelle il ne devrait pas être utilisé, du moins pas à grande échelle. Sa manipulation est difficile et dangereuse.

Si les chambres à hydrogène devaient être utilisées en masse pour conduire des voitures, elles devraient construire la même infrastructure que l’essence et le diesel. De plus, le cuivre est nécessaire à la production des moteurs électriques qui propulsent les voitures à hydrogène. Cela ne signifie pas pour autant que les piles à combustible sont inutiles. Quand il y a du pétrole, peut-être n’avons-nous pas d’autre choix que de rouler à l’hydrogène.

Dans notre pays, des travaux ont également été menés sur la création de piles à combustible destinées à l'astronautique. Par exemple, des piles à combustible ont été utilisées pour alimenter le vaisseau spatial réutilisable soviétique Bourane.

Le développement de méthodes d’utilisation commerciale des piles à combustible a commencé au milieu des années 1960. Ces développements ont été partiellement financés par des organismes gouvernementaux.

Actuellement, le développement des technologies d'utilisation des piles à combustible évolue dans plusieurs directions. Il s'agit de la création de centrales électriques fixes sur piles à combustible (à la fois pour l'approvisionnement énergétique centralisé et décentralisé), de centrales électriques pour véhicules (des échantillons de voitures et de bus sur piles à combustible ont été créés, y compris dans notre pays) (Fig. 3), et également des alimentations pour divers appareils mobiles (ordinateurs portables, téléphones portables, etc.) (Fig. 4).

Des exemples d'utilisation de piles à combustible dans divers domaines sont donnés dans le tableau. 1.

L'un des premiers modèles commerciaux de piles à combustible conçus pour l'alimentation autonome en chaleur et en électricité des bâtiments était le PC25 modèle A fabriqué par ONSI Corporation (maintenant United Technologies, Inc.).

Dans certains types de piles à combustible, le processus chimique peut être inversé : en appliquant une différence de potentiel aux électrodes, l’eau peut être décomposée en hydrogène et en oxygène, qui s’accumulent sur les électrodes poreuses. Lorsqu’une charge est connectée, une telle pile à combustible régénérative commence à générer de l’énergie électrique.

Une direction prometteuse pour l'utilisation des piles à combustible est leur utilisation en conjonction avec des sources d'énergie renouvelables, par exemple des panneaux photovoltaïques ou des centrales éoliennes. Cette technologie nous permet d’éviter complètement la pollution de l’air. Un système similaire devrait être créé, par exemple, au centre de formation Adam Joseph Lewis à Oberlin (voir ABOK, 2002, n° 5, p. 10). Actuellement, des panneaux solaires sont utilisés comme l’une des sources d’énergie de ce bâtiment. En collaboration avec des spécialistes de la NASA, un projet a été développé pour utiliser des panneaux photovoltaïques pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir de l'eau par électrolyse. L'hydrogène est ensuite utilisé dans les piles à combustible pour produire de l'énergie électrique. Cela permettra au bâtiment de maintenir la fonctionnalité de tous les systèmes pendant les jours nuageux et la nuit.

Principe de fonctionnement des piles à combustible

Considérons le principe de fonctionnement d'une pile à combustible en utilisant l'exemple d'un élément simple doté d'une membrane échangeuse de protons (Proton Exchange Membrane, PEM). Une telle cellule est constituée d'une membrane polymère placée entre une anode (électrode positive) et une cathode (électrode négative) ainsi que de catalyseurs anodiques et cathodiques.

La membrane polymère est utilisée comme électrolyte. Le schéma de l'élément PEM est présenté sur la Fig. 5.

Une membrane échangeuse de protons (PEM) est un composé organique solide mince (environ 2 à 7 feuilles de papier d'épaisseur). Cette membrane fonctionne comme un électrolyte : elle sépare une substance en ions chargés positivement et négativement en présence d'eau.

Un processus d’oxydation se produit à l’anode et un processus de réduction à la cathode.

Les molécules d'hydrogène traversent des canaux dans la plaque jusqu'à l'anode, où les molécules sont décomposées en atomes individuels (Fig. 6).

Ensuite, suite à une chimisorption en présence d'un catalyseur, les atomes d'hydrogène, cédant chacun un électron e –, sont convertis en ions hydrogène chargés positivement H +, c'est-à-dire en protons (Fig. 7).

Les ions hydrogène chargés positivement (protons) diffusent à travers la membrane jusqu'à la cathode, et le flux d'électrons est dirigé vers la cathode via un circuit électrique externe auquel la charge (consommateur d'énergie électrique) est connectée (Fig. 8).

L'oxygène fourni à la cathode, en présence d'un catalyseur, entre dans une réaction chimique avec les ions hydrogène (protons) de la membrane échangeuse de protons et les électrons du circuit électrique externe (Fig. 9). À la suite d’une réaction chimique, de l’eau se forme.

La réaction chimique dans d'autres types de piles à combustible (par exemple, avec un électrolyte acide, qui utilise une solution d'acide orthophosphorique H 3 PO 4) est absolument identique à la réaction chimique dans une pile à combustible avec une membrane échangeuse de protons.

Dans toute pile à combustible, une partie de l’énergie issue d’une réaction chimique est libérée sous forme de chaleur.

Le flux d’électrons dans un circuit externe est un courant continu utilisé pour effectuer un travail. L'ouverture du circuit externe ou l'arrêt du mouvement des ions hydrogène arrête la réaction chimique.

La quantité d'énergie électrique produite par une pile à combustible dépend du type de pile à combustible, des dimensions géométriques, de la température et de la pression du gaz. Une pile à combustible séparée fournit une FEM inférieure à 1,16 V. La taille des piles à combustible peut être augmentée, mais en pratique, plusieurs éléments connectés en batteries sont utilisés (Fig. 10).

Conception de pile à combustible

Examinons la conception d'une pile à combustible en utilisant le PC25 modèle C comme exemple.

Le schéma de la pile à combustible est présenté sur la Fig. onze.

La pile à combustible PC25 modèle C se compose de trois parties principales : le processeur de combustible, la section de production d'énergie proprement dite et le convertisseur de tension.

La partie principale de la pile à combustible, la section de production d’électricité, est une batterie composée de 256 piles à combustible individuelles. Les électrodes de la pile à combustible contiennent un catalyseur au platine. Ces cellules produisent un courant électrique constant de 1 400 ampères à 155 volts. Les dimensions de la batterie sont d'environ 2,9 m de longueur et 0,9 m de largeur et de hauteur.

Étant donné que le processus électrochimique se déroule à une température de 177 °C, il est nécessaire de chauffer la batterie au moment du démarrage et d'en évacuer la chaleur pendant le fonctionnement.

Pour y parvenir, la pile à combustible comprend un circuit d’eau séparé et la batterie est équipée de plaques de refroidissement spéciales.

Le processeur de combustible convertit le gaz naturel en hydrogène nécessaire à une réaction électrochimique. Ce processus est appelé reformage. L'élément principal du processeur de combustible est le reformeur. Dans le reformeur, le gaz naturel (ou tout autre combustible contenant de l'hydrogène) réagit avec la vapeur d'eau à haute température (900 °C) et haute pression en présence d'un catalyseur au nickel. Dans ce cas, les réactions chimiques suivantes se produisent :

CH 4 (méthane) + H 2 O 3H 2 + CO

(la réaction est endothermique, avec absorption de chaleur) ;

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(la réaction est exothermique, dégageant de la chaleur).

La réaction globale est exprimée par l'équation :

CH 4 (méthane) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(la réaction est endothermique, avec absorption de chaleur).

La pile à combustible produit un courant continu intermittent qui est une basse tension et un courant élevé. Un convertisseur de tension est utilisé pour le convertir en courant alternatif standard de l'industrie. De plus, l'unité de conversion de tension comprend divers dispositifs de commande et circuits de verrouillage de sécurité qui permettent d'éteindre la pile à combustible en cas de pannes diverses.

Dans une telle pile à combustible, environ 40 % de l’énergie du combustible peut être convertie en énergie électrique. Environ la même quantité, soit environ 40 % de l'énergie du combustible, peut être convertie en énergie thermique, qui est ensuite utilisée comme source de chaleur pour le chauffage, l'approvisionnement en eau chaude et à des fins similaires. Ainsi, le rendement total d'une telle installation peut atteindre 80 %.

Un avantage important d'une telle source de chaleur et d'électricité est la possibilité de son fonctionnement automatique. Pour la maintenance, les propriétaires de l'installation où la pile à combustible est installée n'ont pas besoin de faire appel à du personnel spécialement formé - la maintenance périodique peut être effectuée par les employés de l'organisme exploitant.

Types de piles à combustible

Actuellement, plusieurs types de piles à combustible sont connus, se différenciant par la composition de l'électrolyte utilisé. Les quatre types suivants sont les plus répandus (tableau 2) :

1. Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Piles à combustible à base d'acide orthophosphorique (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Piles à combustible à base de carbonate fondu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Piles à combustible à oxyde solide (SOFC).

Actuellement, le plus grand parc de piles à combustible repose sur la technologie PAFC.

L’une des caractéristiques clés des différents types de piles à combustible est la température de fonctionnement. À bien des égards, c'est la température qui détermine le domaine d'application des piles à combustible. Par exemple, les températures élevées sont critiques pour les ordinateurs portables, c'est pourquoi des piles à combustible à membrane échangeuse de protons avec de basses températures de fonctionnement sont en cours de développement pour ce segment de marché.

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)

Ces piles à combustible fonctionnent à des températures de fonctionnement relativement basses (60-160 °C). Ils se caractérisent par une densité de puissance élevée, vous permettent d'ajuster rapidement la puissance de sortie et peuvent être rapidement allumés. L'inconvénient de ce type d'élément réside dans les exigences élevées en matière de qualité du carburant, car un carburant contaminé peut endommager la membrane. La puissance nominale de ce type de pile à combustible est comprise entre 1 et 100 kW.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons ont été initialement développées par General Electric dans les années 1960 pour la NASA. Ce type de pile à combustible utilise un électrolyte polymère solide appelé membrane échangeuse de protons (PEM). Les protons peuvent se déplacer à travers la membrane échangeuse de protons, mais les électrons ne peuvent pas la traverser, ce qui entraîne une différence de potentiel entre la cathode et l'anode. En raison de leur simplicité et de leur fiabilité, ces piles à combustible ont été utilisées comme source d’énergie sur le vaisseau spatial habité Gemini.

Ce type de pile à combustible est utilisé comme source d'énergie pour une large gamme d'appareils différents, y compris des prototypes et des prototypes, des téléphones portables aux bus et aux systèmes électriques fixes. La basse température de fonctionnement permet à ces cellules d’être utilisées pour alimenter divers types d’appareils électroniques complexes. Leur utilisation est moins efficace comme source de chaleur et d’électricité pour les bâtiments publics et industriels, où de grands volumes d’énergie thermique sont nécessaires. Dans le même temps, ces éléments sont prometteurs en tant que source d’alimentation électrique autonome pour les petits bâtiments résidentiels tels que les chalets construits dans les régions au climat chaud.

Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC)

Des tests de piles à combustible de ce type ont déjà été réalisés au début des années 1970. Plage de température de fonctionnement : 150-200 °C. Le principal domaine d'application est celui des sources autonomes de chaleur et d'électricité de moyenne puissance (environ 200 kW).

Ces piles à combustible utilisent une solution d'acide phosphorique comme électrolyte. Les électrodes sont constituées de papier recouvert de carbone dans lequel est dispersé un catalyseur au platine.

Le rendement électrique des piles à combustible PAFC est de 37 à 42 %. Cependant, ces piles à combustible fonctionnant à une température assez élevée, il est possible d'utiliser la vapeur générée par le fonctionnement. Dans ce cas, le rendement global peut atteindre 80 %.

Pour produire de l’énergie, la matière première contenant de l’hydrogène doit être convertie en hydrogène pur par un processus de reformage. Par exemple, si de l'essence est utilisée comme carburant, il est nécessaire d'éliminer les composés contenant du soufre, car le soufre peut endommager le catalyseur au platine.

Les piles à combustible PAFC ont été les premières piles à combustible commerciales à être utilisées de manière économique. Le modèle le plus courant était la pile à combustible PC25 de 200 kW fabriquée par ONSI Corporation (maintenant United Technologies, Inc.) (Fig. 13). Par exemple, ces éléments sont utilisés comme source d’énergie thermique et électrique dans le commissariat de Central Park à New York ou comme source d’énergie supplémentaire dans le Condé Nast Building et Four Times Square.

La plus grande installation de ce type est actuellement testée en tant que centrale électrique de 11 MW située au Japon.

Les piles à combustible à acide phosphorique sont également utilisées comme source d’énergie dans les véhicules. Par exemple, en 1994, H-Power Corp., l'Université de Georgetown et le Département américain de l'énergie ont équipé un bus d'une centrale électrique de 50 kW.

Piles à combustible à carbonate fondu (MCFC)

Les piles à combustible à base de carbonate fondu nécessitent un temps de démarrage important et ne permettent pas un ajustement rapide de la puissance de sortie. Leur principal domaine d'application est donc les grandes sources fixes d'énergie thermique et électrique. Cependant, ils se caractérisent par un rendement de conversion de carburant élevé – 60 % d’efficacité électrique et jusqu’à 85 % d’efficacité globale.

Dans ce type de pile à combustible, l'électrolyte est constitué de sels de carbonate de potassium et de carbonate de lithium chauffés à environ 650 °C. Dans ces conditions, les sels sont à l’état fondu, formant un électrolyte. À l'anode, l'hydrogène réagit avec les ions CO 3, formant de l'eau, du dioxyde de carbone et libérant des électrons, qui sont envoyés vers le circuit externe, et à la cathode, l'oxygène interagit avec le dioxyde de carbone et les électrons du circuit externe, formant à nouveau des ions CO 3. .

Des échantillons de laboratoire de piles à combustible de ce type ont été créés à la fin des années 1950 par les scientifiques néerlandais G. H. J. Broers et J. A. A. Ketelaar. Dans les années 1960, l'ingénieur Francis T. Bacon, descendant du célèbre écrivain et scientifique anglais du XVIIe siècle, a travaillé avec ces piles, c'est pourquoi les piles à combustible MCFC sont parfois appelées piles Bacon. Dans les programmes Apollo, Apollo-Soyouz et Scylab de la NASA, ces piles à combustible ont été utilisées comme source d'approvisionnement en énergie (Fig. 14). Au cours de ces mêmes années, le département militaire américain a testé plusieurs échantillons de piles à combustible MCFC produites par Texas Instruments, qui utilisaient de l'essence de qualité militaire comme carburant. Au milieu des années 1970, le ministère américain de l’Énergie a lancé des recherches visant à créer une pile à combustible stationnaire à carbonate fondu adaptée à des applications pratiques. Dans les années 1990, un certain nombre d'installations commerciales d'une puissance nominale allant jusqu'à 250 kW ont été introduites, par exemple à la base aéronavale américaine de Miramar en Californie. En 1996, FuelCell Energy, Inc.

a lancé une centrale de pré-production de 2 MW à Santa Clara, en Californie.

Les piles à combustible à oxyde solide sont de conception simple et fonctionnent à des températures très élevées – 700 à 1 000 °C. Des températures aussi élevées permettent l’utilisation de carburant relativement « sale » et non raffiné.

Les mêmes caractéristiques que celles des piles à combustible à base de carbonate fondu déterminent un domaine d'application similaire : de grandes sources fixes d'énergie thermique et électrique.

Les piles à combustible à oxyde solide sont structurellement différentes des piles à combustible basées sur les technologies PAFC et MCFC. L'anode, la cathode et l'électrolyte sont constitués de céramiques de qualité spéciale. L'électrolyte le plus couramment utilisé est un mélange d'oxyde de zirconium et d'oxyde de calcium, mais d'autres oxydes peuvent être utilisés.

L'électrolyte forme un réseau cristallin recouvert sur les deux faces d'un matériau d'électrode poreux. Structurellement, ces éléments sont réalisés sous forme de tubes ou de plaques plates, ce qui permet d'utiliser dans leur production des technologies largement utilisées dans l'industrie électronique. En conséquence, les piles à combustible à oxyde solide peuvent fonctionner à des températures très élevées, ce qui les rend avantageuses pour produire de l’énergie électrique et thermique.

Les premiers prototypes de telles piles à combustible ont été créés à la fin des années 1950 par plusieurs sociétés américaines et néerlandaises. La plupart de ces sociétés ont rapidement abandonné leurs recherches en raison de difficultés technologiques, mais l’une d’entre elles, Westinghouse Electric Corp. (maintenant Siemens Westinghouse Power Corporation), a poursuivi ses travaux. La société accepte actuellement les précommandes pour un modèle commercial de pile à combustible tubulaire à oxyde solide, qui devrait être disponible cette année (Figure 15). Le segment de marché de ces éléments est celui des installations fixes de production d'énergie thermique et électrique d'une capacité de 250 kW à 5 MW.

Les piles à combustible SOFC ont démontré une très grande fiabilité.

Par exemple, un prototype de pile à combustible fabriqué par Siemens Westinghouse a atteint 16 600 heures de fonctionnement et continue de fonctionner, ce qui en fait la plus longue durée de vie continue d'une pile à combustible au monde.

Le mode de fonctionnement à haute température et haute pression des piles à combustible SOFC permet la création d'usines hybrides dans lesquelles les émissions des piles à combustible entraînent des turbines à gaz utilisées pour produire de l'énergie électrique. La première installation hybride de ce type fonctionne à Irvine, en Californie. La puissance nominale de cette installation est de 220 kW, dont 200 kW provenant de la pile à combustible et 20 kW provenant du générateur à microturbine. Pile à combustible

est un dispositif électrochimique similaire à une cellule galvanique, mais qui en diffère en ce que les substances nécessaires à la réaction électrochimique lui sont fournies de l'extérieur - contrairement à la quantité limitée d'énergie stockée dans une cellule ou une batterie galvanique. Riz. 1.

Les piles à combustible convertissent l’énergie chimique du carburant en électricité, contournant ainsi les processus de combustion inefficaces qui entraînent d’importantes pertes. Ils convertissent l’hydrogène et l’oxygène en électricité grâce à une réaction chimique. À la suite de ce processus, de l’eau se forme et une grande quantité de chaleur est libérée. Une pile à combustible ressemble beaucoup à une batterie qui peut être chargée puis utiliser l’énergie électrique stockée. L'inventeur de la pile à combustible est considéré comme William R. Grove, qui l'a inventée en 1839. Cette pile à combustible utilisait une solution d'acide sulfurique comme électrolyte et de l'hydrogène comme combustible, qui était combiné avec de l'oxygène dans un agent oxydant. Jusqu'à récemment, les piles à combustible n'étaient utilisées que dans les laboratoires et sur les engins spatiaux.

Contrairement à d’autres générateurs d’électricité, tels que les moteurs à combustion interne ou les turbines alimentés au gaz, au charbon, au fioul, etc., les piles à combustible ne brûlent pas de carburant. Cela signifie pas de rotors haute pression bruyants, pas de bruit d'échappement bruyant, pas de vibrations. Les piles à combustible produisent de l'électricité grâce à une réaction électrochimique silencieuse. Une autre caractéristique des piles à combustible est qu’elles convertissent l’énergie chimique du combustible directement en électricité, chaleur et eau.

Les piles à combustible sont très efficaces et ne produisent pas de grandes quantités de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone, le méthane et l'oxyde nitreux. Les seules émissions des piles à combustible sont de l’eau sous forme de vapeur et une petite quantité de dioxyde de carbone, qui n’est pas du tout libérée si de l’hydrogène pur est utilisé comme combustible. Les piles à combustible sont assemblées en assemblages puis en modules fonctionnels individuels.

Les piles à combustible n'ont pas de pièces mobiles (du moins pas à l'intérieur de la pile elle-même) et n'obéissent donc pas à la loi de Carnot. Autrement dit, ils auront une efficacité supérieure à 50 % et seront particulièrement efficaces à faibles charges. Ainsi, les véhicules à pile à combustible peuvent devenir (et se sont déjà avérés) plus économes en carburant que les véhicules conventionnels dans des conditions de conduite réelles.

La pile à combustible produit un courant électrique à tension constante qui peut être utilisé pour alimenter le moteur électrique, l’éclairage et d’autres systèmes électriques du véhicule.

Il existe plusieurs types de piles à combustible, qui diffèrent par les procédés chimiques utilisés. Les piles à combustible sont généralement classées selon le type d'électrolyte qu'elles utilisent.

Certains types de piles à combustible sont prometteurs pour la propulsion des centrales électriques, tandis que d’autres le sont pour les appareils portables ou pour conduire des voitures.

1. Piles à combustible alcalines (ALFC)

Pile à combustible alcaline- C'est l'un des tout premiers éléments développés. Les piles à combustible alcalines (AFC) sont l'une des technologies les plus étudiées, utilisées depuis le milieu des années 60 du XXe siècle par la NASA dans les programmes Apollo et Space Shuttle. A bord de ces vaisseaux spatiaux, les piles à combustible produisent de l'énergie électrique et de l'eau potable.

Les piles à combustible alcalines sont l'un des éléments les plus efficaces utilisés pour produire de l'électricité, avec un rendement de production d'électricité pouvant atteindre 70 %.

Les piles à combustible alcalines utilisent un électrolyte, une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium, contenue dans une matrice poreuse et stabilisée. La concentration en hydroxyde de potassium peut varier en fonction de la température de fonctionnement de la pile à combustible, qui varie de 65°C à 220°C. Le porteur de charge du SHTE est l’ion hydroxyle (OH-), qui se déplace de la cathode à l’anode, où il réagit avec l’hydrogène, produisant de l’eau et des électrons. L'eau produite à l'anode retourne vers la cathode, y générant à nouveau des ions hydroxyle. À la suite de cette série de réactions qui ont lieu dans la pile à combustible, de l’électricité et, comme sous-produit, de la chaleur sont produites :

Réaction à l'anode : 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Réaction à la cathode : O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Réaction générale du système : 2H2 + O2 => 2H2O

L’avantage du SHTE est que ces piles à combustible sont les moins chères à produire, puisque le catalyseur nécessaire sur les électrodes peut être n’importe quelle substance moins chère que celles utilisées comme catalyseurs pour d’autres piles à combustible. De plus, les SHTE fonctionnent à des températures relativement basses et sont parmi les plus efficaces.

L’une des caractéristiques du SHTE est sa grande sensibilité au CO2, qui peut être contenu dans le carburant ou dans l’air. Le CO2 réagit avec l’électrolyte, l’empoisonne rapidement et réduit considérablement l’efficacité de la pile à combustible. Par conséquent, l’utilisation du SHTE est limitée aux espaces clos, tels que les véhicules spatiaux et sous-marins, ils fonctionnent à l’hydrogène et à l’oxygène purs ;

2. Piles à combustible à carbonate fondu (MCFC)

Piles à combustible à électrolyte carbonate fondu sont des piles à combustible haute température. La température de fonctionnement élevée permet l'utilisation directe du gaz naturel sans processeur de combustible et du gaz combustible à faible pouvoir calorifique provenant de processus industriels et d'autres sources. Ce procédé a été développé au milieu des années 60 du XXe siècle. Depuis lors, la technologie de production, les performances et la fiabilité ont été améliorées.

Le fonctionnement du RCFC diffère des autres piles à combustible. Ces cellules utilisent un électrolyte constitué d'un mélange de sels de carbonate fondus. Actuellement, deux types de mélanges sont utilisés : le carbonate de lithium et le carbonate de potassium ou le carbonate de lithium et le carbonate de sodium. Pour faire fondre les sels de carbonate et atteindre un degré élevé de mobilité ionique dans l'électrolyte, les piles à combustible avec électrolyte de carbonate fondu fonctionnent à des températures élevées (650°C). L'efficacité varie entre 60 et 80 %.

Lorsqu'ils sont chauffés à une température de 650°C, les sels deviennent conducteurs pour les ions carbonate (CO32-). Ces ions passent de la cathode à l'anode, où ils se combinent avec l'hydrogène pour former de l'eau, du dioxyde de carbone et des électrons libres. Ces électrons sont renvoyés à la cathode via un circuit électrique externe, générant du courant électrique et de la chaleur comme sous-produit.

Réaction à l'anode : CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Réaction à la cathode : CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Réaction générale de l'élément : H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(cathode) => H2O(g) + CO2(anode)

Les températures de fonctionnement élevées des piles à combustible à électrolyte à carbonate fondu présentent certains avantages. L'avantage est la possibilité d'utiliser des matériaux standards (tôles d'acier inoxydable et catalyseur au nickel sur les électrodes). La chaleur perdue peut être utilisée pour produire de la vapeur à haute pression. Des températures de réaction élevées dans l'électrolyte présentent également des avantages. L'utilisation de températures élevées nécessite beaucoup de temps pour atteindre des conditions de fonctionnement optimales, et le système réagit plus lentement aux changements de consommation d'énergie. Ces caractéristiques permettent l'utilisation d'installations de piles à combustible à électrolyte carbonate fondu dans des conditions de puissance constante. Les températures élevées évitent les dommages à la pile à combustible causés par le monoxyde de carbone, les « empoisonnements », etc.

Les piles à combustible avec électrolyte de carbonate fondu conviennent à une utilisation dans les grandes installations fixes. Des centrales thermiques d'une puissance électrique de 2,8 MW sont produites commercialement. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 100 MW sont en cours de développement.

3. Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC)

Piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) est devenue la première pile à combustible à usage commercial. Ce procédé a été développé au milieu des années 60 du XXe siècle, des tests sont réalisés depuis les années 70 du XXe siècle. Le résultat a été une stabilité et des performances accrues et une réduction des coûts.

Les piles à combustible à acide phosphorique (orthophosphorique) utilisent un électrolyte à base d'acide orthophosphorique (H3PO4) à des concentrations allant jusqu'à 100 %. La conductivité ionique de l'acide phosphorique est faible à basse température, c'est pourquoi ces piles à combustible sont utilisées à des températures allant jusqu'à 150-220 °C.

Le porteur de charge dans les piles à combustible de ce type est l’hydrogène (H+, proton). Un processus similaire se produit dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), dans lesquelles l'hydrogène fourni à l'anode est divisé en protons et en électrons. Les protons voyagent à travers l’électrolyte et se combinent avec l’oxygène de l’air au niveau de la cathode pour former de l’eau. Les électrons sont envoyés à travers un circuit électrique externe, générant ainsi un courant électrique. Vous trouverez ci-dessous les réactions qui génèrent du courant électrique et de la chaleur.

Réaction à l'anode : 2H2 => 4H+ + 4e

Réaction à la cathode : O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Réaction générale de l'élément : 2H2 + O2 => 2H2O

L'efficacité des piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) est supérieure à 40 % lors de la production d'énergie électrique. Avec la production combinée de chaleur et d’électricité, le rendement global est d’environ 85 %. De plus, compte tenu des températures de fonctionnement, la chaleur résiduelle peut être utilisée pour chauffer de l’eau et générer de la vapeur à pression atmosphérique.

La haute performance des centrales thermiques utilisant des piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) dans la production combinée d'énergie thermique et électrique est l'un des avantages de ce type de piles à combustible. Les unités utilisent du monoxyde de carbone avec une concentration d'environ 1,5 %, ce qui élargit considérablement le choix de carburant. Une conception simple, un faible degré de volatilité de l’électrolyte et une stabilité accrue sont également des avantages de ces piles à combustible.

Des centrales thermiques d'une puissance électrique allant jusqu'à 400 kW sont produites commercialement. Les installations d'une capacité de 11 MW ont passé avec succès les tests appropriés. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 100 MW sont en cours de développement.

4. Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons sont considérées comme le meilleur type de pile à combustible pour produire de l’énergie pour les véhicules, qui peuvent remplacer les moteurs à combustion interne à essence et diesel. Ces piles à combustible ont été utilisées pour la première fois par la NASA pour le programme Gemini. Des installations basées sur MOPFC d'une puissance de 1 W à 2 kW ont été développées et démontrées.

L'électrolyte de ces piles à combustible est une membrane polymère solide (une fine pellicule de plastique). Lorsqu’il est saturé d’eau, ce polymère laisse passer les protons mais ne conduit pas les électrons.

Le carburant est l’hydrogène et le porteur de charge est un ion hydrogène (proton). À l’anode, la molécule d’hydrogène est divisée en un ion hydrogène (proton) et des électrons. Les ions hydrogène traversent l'électrolyte jusqu'à la cathode et les électrons se déplacent autour du cercle extérieur et produisent de l'énergie électrique. L'oxygène, extrait de l'air, est fourni à la cathode et se combine avec les électrons et les ions hydrogène pour former de l'eau. Les réactions suivantes se produisent au niveau des électrodes : Réaction à l'anode : 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eRéaction à la cathode : O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Réaction cellulaire globale : 2H2 + O2 => 2H2O Par rapport aux autres types de Les piles à combustible, les piles à combustible dotées d'une membrane échangeuse de protons produisent plus d'énergie pour un volume ou un poids donné de la pile à combustible. Cette fonctionnalité leur permet d’être compacts et légers. De plus, la température de fonctionnement est inférieure à 100°C, ce qui permet une mise en service rapide. Ces caractéristiques, ainsi que la capacité de modifier rapidement la production d’énergie, ne sont que quelques-unes qui font de ces piles à combustible un candidat de choix pour une utilisation dans les véhicules.

Un autre avantage est que l’électrolyte est un solide plutôt qu’un liquide. Il est plus facile de retenir les gaz à la cathode et à l'anode en utilisant un électrolyte solide, de sorte que ces piles à combustible sont moins chères à produire. Avec un électrolyte solide, il n'y a pas de problèmes d'orientation et moins de problèmes de corrosion, augmentant ainsi la longévité de la cellule et de ses composants.

5. Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Piles à combustible à oxyde solide sont les piles à combustible à température de fonctionnement la plus élevée. La température de fonctionnement peut varier de 600°C à 1000°C, permettant l'utilisation de différents types de carburant sans prétraitement particulier. Pour supporter des températures aussi élevées, l’électrolyte utilisé est un mince oxyde métallique solide sur une base céramique, souvent un alliage d’yttrium et de zirconium, conducteur des ions oxygène (O2-). La technologie d'utilisation des piles à combustible à oxyde solide se développe depuis la fin des années 50 du XXe siècle et présente deux configurations : planaire et tubulaire.

L'électrolyte solide assure une transition étanche du gaz d'une électrode à l'autre, tandis que les électrolytes liquides sont situés dans un substrat poreux. Le porteur de charge dans les piles à combustible de ce type est l’ion oxygène (O2-). À la cathode, les molécules d'oxygène de l'air sont séparées en un ion oxygène et quatre électrons. Les ions oxygène traversent l'électrolyte et se combinent avec l'hydrogène, créant quatre électrons libres. Les électrons sont envoyés à travers un circuit électrique externe, générant du courant électrique et de la chaleur perdue.

Réaction à l'anode : 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Réaction à la cathode : O2 + 4e- => 2O2-

Réaction générale de l'élément : 2H2 + O2 => 2H2O

L'efficacité de la production d'énergie électrique est la plus élevée de toutes les piles à combustible : environ 60 %. De plus, les températures de fonctionnement élevées permettent la production combinée d’énergie thermique et électrique pour générer de la vapeur à haute pression. La combinaison d'une pile à combustible haute température avec une turbine permet de créer une pile à combustible hybride pour augmenter l'efficacité de la production d'énergie électrique jusqu'à 70 %.

Les piles à combustible à oxyde solide fonctionnent à des températures très élevées (600 °C à 1 000 °C), ce qui nécessite un temps considérable pour atteindre des conditions de fonctionnement optimales et un système plus lent à réagir aux changements de consommation d'énergie. À des températures de fonctionnement aussi élevées, aucun convertisseur n'est nécessaire pour récupérer l'hydrogène du combustible, ce qui permet à la centrale thermique de fonctionner avec des combustibles relativement impurs résultant de la gazéification du charbon ou des gaz résiduaires, etc. La pile à combustible est également excellente pour les applications à forte puissance, notamment les centrales industrielles et les grandes centrales électriques. Des modules d'une puissance électrique de sortie de 100 kW sont produits dans le commerce.

6. Piles à combustible à oxydation directe du méthanol (DOMFC)

Piles à combustible à oxydation directe du méthanol Ils sont utilisés avec succès dans le domaine de l'alimentation des téléphones mobiles, des ordinateurs portables, ainsi que pour créer des sources d'alimentation portables, ce à quoi vise l'utilisation future de ces éléments.

La conception des piles à combustible à oxydation directe du méthanol est similaire à la conception des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MEPFC), c'est-à-dire Un polymère est utilisé comme électrolyte et un ion hydrogène (proton) est utilisé comme porteur de charge. Mais le méthanol liquide (CH3OH) s'oxyde en présence d'eau à l'anode, libérant du CO2, des ions hydrogène et des électrons, qui sont envoyés dans un circuit électrique externe, générant ainsi un courant électrique. Les ions hydrogène traversent l'électrolyte et réagissent avec l'oxygène de l'air et les électrons du circuit externe pour former de l'eau au niveau de l'anode.

Réaction à l'anode : CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eRéaction à la cathode : 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Réaction générale de l'élément : CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O L'élaboration d'un tel Les piles à combustible ont été réalisées depuis le début des années 90 du XXe siècle et leur puissance spécifique et leur rendement ont été augmentés jusqu'à 40 %.

Ces éléments ont été testés dans la plage de température de 50 à 120°C. En raison de leurs basses températures de fonctionnement et de l’absence de convertisseur, ces piles à combustible constituent un candidat idéal pour une utilisation dans les téléphones mobiles et autres produits de consommation, ainsi que dans les moteurs de voiture. Leur avantage est aussi leur petite taille.

7. Piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC)

Dans le cas des piles à combustible à électrolyte polymère, la membrane polymère est constituée de fibres polymères avec des régions d'eau dans lesquelles les ions d'eau de conduction H2O+ (proton, rouge) se fixent à une molécule d'eau. Les molécules d’eau posent un problème en raison de la lenteur des échanges d’ions. Par conséquent, une forte concentration d’eau est requise à la fois dans le carburant et au niveau des électrodes de sortie, ce qui limite la température de fonctionnement à 100°C.

8. Piles à combustible acide solide (SFC)

Dans les piles à combustible acide solide, l’électrolyte (CsHSO4) ne contient pas d’eau. La température de fonctionnement est donc de 100 à 300°C. La rotation des oxyanions SO42 permet aux protons (rouges) de se déplacer comme le montre la figure. En règle générale, une pile à combustible acide solide est un sandwich dans lequel une très fine couche de composé acide solide est prise en sandwich entre deux électrodes étroitement pressées l'une contre l'autre pour assurer un bon contact. Lorsqu'il est chauffé, le composant organique s'évapore et sort par les pores des électrodes, maintenant la capacité de contacts multiples entre le carburant (ou l'oxygène à l'autre extrémité de l'élément), l'électrolyte et les électrodes.

9. Comparaison des caractéristiques les plus importantes des piles à combustible

10. Utilisation de piles à combustible dans les voitures

Je voudrais vous prévenir tout de suite que ce sujet ne concerne pas entièrement Habr, mais dans les commentaires du post sur l'élément développé au MIT, l'idée semblait être soutenue, je décrirai donc ci-dessous quelques réflexions sur les biocarburants. éléments.
Le travail sur lequel ce sujet est écrit a été réalisé par moi en 11e année et a pris la deuxième place à la conférence internationale INTEL ISEF.

Une pile à combustible est une source de courant chimique dans laquelle l'énergie chimique d'un agent réducteur (carburant) et d'un agent oxydant, fournis en continu et séparément aux électrodes, est directement convertie en énergie électrique.
énergie. Le schéma de principe d’une pile à combustible (FC) est présenté ci-dessous :

La pile à combustible se compose d’une anode, d’une cathode, d’un conducteur ionique, d’une anode et d’une cathode. À l’heure actuelle, la puissance des biopiles n’est pas suffisante pour une utilisation à l’échelle industrielle, mais les BFC de faible puissance peuvent être utilisés à des fins médicales comme capteurs sensibles, car l’intensité du courant qu’ils contiennent est proportionnelle à la quantité de carburant traitée.
À ce jour, un grand nombre de modèles de piles à combustible ont été proposés. Dans chaque cas particulier, la conception de la pile à combustible dépend de la destination de la pile à combustible, du type de réactif et du conducteur ionique. Un groupe spécial comprend les biopiles qui utilisent des catalyseurs biologiques. Une caractéristique distinctive importante des systèmes biologiques est leur capacité à oxyder sélectivement divers carburants à basse température.
Dans la plupart des cas, les enzymes immobilisées sont utilisées en bioélectrocatalyse, c'est-à-dire enzymes isolées d'organismes vivants et fixées sur un support, mais conservant une activité catalytique (partiellement ou totalement), ce qui permet de les réutiliser. Considérons, à titre d'exemple, une biopile dans laquelle une réaction enzymatique est couplée à une réaction d'électrode à l'aide d'un médiateur. Schéma d'une biopile à base de glucose oxydase :

Une biopile à combustible est constituée de deux électrodes inertes en or, platine ou carbone, immergées dans une solution tampon. Les électrodes sont séparées par une membrane échangeuse d'ions : le compartiment anodique est purgé à l'air, le compartiment cathodique à l'azote. La membrane permet une séparation spatiale des réactions se produisant dans les compartiments d'électrodes de la cellule, et assure en même temps l'échange de protons entre eux. Des membranes de différents types adaptées aux biocapteurs sont produites au Royaume-Uni par de nombreuses entreprises (VDN, VIROKT).
L'introduction de glucose dans une biopile contenant de la glucose oxydase et un médiateur soluble à 20 °C entraîne un flux d'électrons de l'enzyme vers l'anode via le médiateur. Les électrons voyagent à travers le circuit externe jusqu'à la cathode où, dans des conditions idéales, de l'eau se forme en présence de protons et d'oxygène. Le courant résultant (en l'absence de saturation) est proportionnel à l'ajout du composant déterminant le taux (glucose). En mesurant les courants stationnaires, vous pouvez déterminer rapidement (5 s) même de faibles concentrations de glucose - jusqu'à 0,1 mM. En tant que capteur, la biopile décrite présente certaines limitations liées à la présence d'un médiateur et certaines exigences concernant la cathode et la membrane à oxygène. Ces derniers doivent retenir l'enzyme et en même temps laisser passer les composants de faible poids moléculaire : gaz, médiateur, substrat. Les membranes échangeuses d'ions satisfont généralement à ces exigences, bien que leurs propriétés de diffusion dépendent du pH de la solution tampon. La diffusion de composants à travers la membrane entraîne une diminution de l'efficacité du transfert d'électrons en raison de réactions secondaires.
Il existe aujourd'hui des modèles de laboratoire de piles à combustible avec catalyseurs enzymatiques, dont les caractéristiques ne répondent pas aux exigences de leur application pratique. Les principaux efforts des prochaines années porteront sur le perfectionnement des biopiles et d'autres applications de la biopile seront davantage liées à la médecine, par exemple : une biopile implantable utilisant de l'oxygène et du glucose.
Lors de l'utilisation d'enzymes en électrocatalyse, le principal problème à résoudre est le problème du couplage de la réaction enzymatique avec la réaction électrochimique, c'est-à-dire d'assurer un transport efficace des électrons du centre actif de l'enzyme à l'électrode, ce qui peut être réalisé en des manières suivantes :
1. Transfert d'électrons du centre actif de l'enzyme à l'électrode à l'aide d'un support de faible poids moléculaire - médiateur (bioélectrocatalyse médiatrice).
2. Oxydation et réduction directes et directes des sites actifs de l'enzyme sur l'électrode (bioélectrocatalyse directe).
Dans ce cas, le couplage médiateur des réactions enzymatiques et électrochimiques, à son tour, peut être réalisé de quatre manières :
1) l'enzyme et le médiateur sont dans la majeure partie de la solution et le médiateur diffuse à la surface de l'électrode ;
2) l'enzyme est à la surface de l'électrode et le médiateur est dans le volume de la solution ;
3) l'enzyme et le médiateur sont immobilisés à la surface de l'électrode ;
4) le médiateur est cousu à la surface de l'électrode et l'enzyme est en solution.

Dans ce travail, la laccase a servi de catalyseur pour la réaction cathodique de réduction de l'oxygène, et la glucose oxydase (GOD) a servi de catalyseur pour la réaction anodique d'oxydation du glucose. Les enzymes ont été utilisées dans la composition de matériaux composites, dont la création est l'une des étapes les plus importantes de la création de biopiles, qui servent simultanément de capteur analytique. Dans ce cas, les matériaux biocomposites doivent offrir une sélectivité et une sensibilité pour la détermination du substrat et en même temps avoir une activité bioélectrocatalytique élevée, proche de l'activité enzymatique.
La laccase est une oxydoréductase contenant du Cu dont la fonction principale, dans des conditions natives, est l'oxydation de substrats organiques (phénols et leurs dérivés) avec de l'oxygène, qui est ensuite réduit en eau. Le poids moléculaire de l'enzyme est de 40 000 g/mol.

À ce jour, il a été démontré que la laccase est l’électrocatalyseur le plus actif pour la réduction de l’oxygène. En présence sur l'électrode dans une atmosphère d'oxygène, un potentiel proche du potentiel d'oxygène d'équilibre s'établit et la réduction de l'oxygène se produit directement dans l'eau.
Un matériau composite à base de laccase, de noir d'acétylène AD-100 et de Nafion a été utilisé comme catalyseur de la réaction cathodique (réduction de l'oxygène). Une particularité du composite est sa structure, qui assure l'orientation de la molécule d'enzyme par rapport à la matrice conductrice d'électrons, nécessaire au transfert direct d'électrons. L'activité bioélectrocatalytique spécifique de la laccase dans les approches composites observées en catalyse enzymatique. La méthode de couplage des réactions enzymatiques et électrochimiques dans le cas de la laccase, c'est à dire une méthode de transfert d'un électron d'un substrat à travers le centre actif de l'enzyme laccase vers une électrode - biélectrocatalyse directe.

La glucose oxydase (GOD) est une enzyme de la classe des oxydoréductases et possède deux sous-unités, chacune possédant son propre centre actif - (flavine adénine dinucléotide) FAD. DIEU est une enzyme sélective pour le donneur d'électrons, le glucose, et peut utiliser de nombreux substrats comme accepteurs d'électrons. Le poids moléculaire de l'enzyme est de 180 000 g/mol.

Dans ce travail, nous avons utilisé un matériau composite à base de GOD et de ferrocène (FC) pour l'oxydation anodique du glucose via un mécanisme médiateur. Le matériau composite comprend du GOD, du graphite colloïdal hautement dispersé (HCG), du Fc et du Nafion, ce qui a permis d'obtenir une matrice conductrice d'électrons avec une surface très développée, d'assurer un transport efficace des réactifs dans la zone de réaction et des caractéristiques stables du composite. matériel. Une méthode de couplage de réactions enzymatiques et électrochimiques, c'est-à-dire assurer un transport efficace des électrons du centre actif de DIEU vers l'électrode médiatrice, tandis que l'enzyme et le médiateur étaient immobilisés à la surface de l'électrode. Le ferrocène a été utilisé comme médiateur - accepteur d'électrons. Lorsqu'un substrat organique, le glucose, est oxydé, le ferrocène est réduit puis oxydé au niveau de l'électrode.

Si quelqu'un est intéressé, je peux décrire en détail le processus d'obtention du revêtement d'électrode, mais pour cela, il est préférable d'écrire dans un message personnel. Et dans le sujet, je décrirai simplement la structure résultante.

1. AD-100.
2. laccase.
3. substrat poreux hydrophobe.
4. Nafion.

Une fois les électeurs reçus, nous sommes passés directement à la partie expérimentale. Voici à quoi ressemblait notre cellule de travail :

1. Électrode de référence Ag/AgCl ;
2. électrode de travail ;
3. électrode auxiliaire - Рt.
Dans l'expérience avec la glucose oxydase - purge à l'argon, à la laccase - à l'oxygène.

La réduction de l'oxygène sur les suies en l'absence de laccase se produit à des potentiels inférieurs à zéro et se déroule en deux étapes : par formation intermédiaire de peroxyde d'hydrogène. La figure montre la courbe de polarisation de l'électroréduction de l'oxygène par la laccase immobilisée sur AD-100, obtenue en atmosphère d'oxygène dans une solution de pH 4,5. Dans ces conditions, un potentiel stationnaire s'établit proche du potentiel d'équilibre de l'oxygène (0,76 V). À des potentiels cathodiques de 0,76 V, une réduction catalytique de l'oxygène est observée au niveau de l'électrode enzymatique, qui passe par le mécanisme de bioélectrocatalyse directe directement dans l'eau. Dans la région de potentiel inférieure à 0,55 V de la cathode, un plateau est observé sur la courbe, qui correspond au courant cinétique limite de réduction de l'oxygène. La valeur limite du courant était d’environ 630 μA/cm2.

Le comportement électrochimique du matériau composite à base de GOD Nafion, ferrocène et VKG a été étudié par voltammétrie cyclique (CV). L'état du matériau composite en l'absence de glucose dans une solution tampon phosphate a été suivi à l'aide de courbes de charge. Sur la courbe de charge à un potentiel de (–0,40) V, des maxima sont observés liés aux transformations redox du centre actif de DIEU - (FAD), et à 0,20-0,25 V il y a des maxima d'oxydation et de réduction du ferrocène.

Des résultats obtenus, il s'ensuit qu'à base d'une cathode avec de la laccase comme catalyseur pour la réaction de l'oxygène et d'une anode à base de glucose oxydase pour l'oxydation du glucose, il existe une possibilité fondamentale de créer une biopile. Certes, il existe de nombreux obstacles sur ce chemin, par exemple, des pics d'activité enzymatique sont observés à différents niveaux de pH. Cela a conduit à la nécessité d'ajouter une membrane échangeuse d'ions au BFC. La membrane permet de séparer spatialement les réactions se produisant dans les compartiments des électrodes de la cellule, tout en assurant l'échange de protons entre eux. L'air pénètre dans le compartiment anodique.
L'introduction de glucose dans une biopile contenant de la glucose oxydase et un médiateur entraîne un flux d'électrons de l'enzyme vers l'anode via le médiateur. Les électrons voyagent à travers le circuit externe jusqu'à la cathode où, dans des conditions idéales, de l'eau se forme en présence de protons et d'oxygène. Le courant résultant (en l’absence de saturation) est proportionnel à l’ajout du composant déterminant la vitesse, le glucose. En mesurant les courants stationnaires, vous pouvez déterminer rapidement (5 s) même de faibles concentrations de glucose - jusqu'à 0,1 mM.

Malheureusement, je n'ai pas pu concrétiser l'idée de ce BFC, car Immédiatement après la 11e année, je suis allé étudier pour devenir programmeur, ce que je fais encore assidûment aujourd'hui. Merci à tous ceux qui l'ont complété.

Titulaires du brevet RU 2379795 :

L'invention concerne des piles à combustible à alcool à action directe utilisant des électrolytes acides solides et des catalyseurs de reformage internes. Le résultat technique de l'invention est une puissance spécifique et une tension accrues de l'élément. Selon l'invention, une pile à combustible comprend une anode, une cathode, un électrolyte acide solide, une couche de diffusion gazeuse et un catalyseur de reformage interne. Le catalyseur de reformage interne peut être n'importe quel reformeur approprié et est situé à côté de l'anode. Dans cette configuration, la chaleur générée lors des réactions exothermiques sur le catalyseur dans la pile à combustible et le chauffage ohmique de l'électrolyte de la pile à combustible sont la force motrice de la réaction endothermique de reformage du carburant convertissant l'alcool combustible en hydrogène. Il est possible d'utiliser n'importe quel carburant alcoolisé, comme le méthanol ou l'éthanol. 5 n. et 20 salaire f-ly, 4 malades.

Domaine technique

L'invention concerne les piles à combustible à alcool direct utilisant des électrolytes acides solides.

État de l'art

Les alcools ont récemment fait l’objet d’intenses recherches en tant que carburants potentiels. Les carburants particulièrement intéressants sont les alcools tels que le méthanol et l’éthanol, car ils ont des densités énergétiques cinq à sept fois supérieures à celles de l’hydrogène comprimé standard. Par exemple, un litre de méthanol équivaut énergétiquement à 5,2 litres d’hydrogène comprimé à 320 atm. De plus, un litre d’éthanol équivaut énergétiquement à 7,2 litres d’hydrogène comprimé à 350 atm. De tels alcools sont également souhaitables car ils sont faciles à manipuler, à stocker et à transporter.

Le méthanol et l’éthanol ont fait l’objet de nombreuses recherches du point de vue des carburants alcoolisés. L'éthanol peut être produit par la fermentation de plantes contenant du sucre et de l'amidon. Le méthanol peut être produit par gazéification du bois ou des déchets de bois/céréales (paille). Cependant, la synthèse du méthanol est plus efficace. Ces alcools sont, entre autres, des ressources renouvelables et sont donc censés jouer un rôle important à la fois dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre et dans la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles.

Les piles à combustible ont été proposées comme dispositifs permettant de convertir l'énergie chimique de ces alcools en énergie électrique. À cet égard, les piles à combustible à alcool directes comportant des membranes électrolytiques polymères ont fait l'objet de recherches intensives. Plus précisément, la recherche s'est concentrée sur les piles à combustible directes au méthanol et aux piles à combustible directes à l'éthanol. Cependant, la recherche sur les piles à combustible à éthanol direct a été limitée en raison de la difficulté relative d’oxydation de l’éthanol par rapport à l’oxydation du méthanol.

Malgré ces efforts de recherche approfondis, les performances des piles à combustible à alcool direct restent insatisfaisantes, principalement en raison des limitations cinétiques imposées par les catalyseurs à électrodes. Par exemple, les piles à combustible au méthanol direct typiques ont une densité de puissance d'environ 50 mW/cm2. Des densités de puissance plus élevées ont été obtenues, comme 335 mW/cm2, mais uniquement dans des conditions extrêmement difficiles (Nafion®, 130°C, 5 atm d'oxygène et 1 M de méthanol pour un débit de 2 cc/min à une pression de 1,8 atm ). De même, une pile à combustible à éthanol direct a une densité de puissance de 110 mW/cm2 dans des conditions similaires extrêmement difficiles (Nafion® - silice, 140°C, anode 4 atm, oxygène 5,5 atm). En conséquence, il existe un besoin pour des piles à combustible à alcool directe ayant des densités de puissance élevées en l'absence de telles conditions extrêmes.

Résumé de l'invention

La présente invention concerne les piles à combustible à alcool contenant des électrolytes acides solides et utilisant un catalyseur de reformage interne. Une pile à combustible comprend généralement une anode, une cathode, un électrolyte acide solide et un reformeur interne. Le reformeur assure le reformage de l'alcool carburant pour produire de l'hydrogène. La force motrice de la réaction de reformage est la chaleur générée lors des réactions exothermiques dans la pile à combustible.

L'utilisation d'électrolytes acides solides dans la pile à combustible permet de placer le reformeur directement à côté de l'anode. Cela n'était pas cru possible auparavant en raison des températures élevées requises pour que les matériaux de reformage connus fonctionnent efficacement et de la sensibilité à la chaleur des membranes électrolytiques polymères typiques. Cependant, par rapport aux membranes électrolytiques polymères classiques, les électrolytes acides solides peuvent résister à des températures beaucoup plus élevées, permettant de localiser le reformeur adjacent à l'anode et donc proche de l'électrolyte. Dans cette configuration, la chaleur perdue générée par l'électrolyte est absorbée par le reformeur et sert de force motrice à la réaction de reformage endothermique.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront mieux compris en référence à la description détaillée suivante prise en conjonction avec les dessins annexés, dans lesquels :

La figure 1 est une illustration schématique d'une pile à combustible selon un mode de réalisation de la présente invention ;

La figure 2 est une comparaison graphique des courbes de tension de cellule de densité de puissance pour des piles à combustible obtenues conformément aux exemples 1 et 2 et à l'exemple comparatif 1 ;

la figure 3 est une comparaison graphique des courbes de tension de cellule de densité de puissance pour des piles à combustible obtenues conformément aux exemples 3, 4 et 5 et à l'exemple comparatif 2 ; Et

La figure 4 est une comparaison graphique des courbes de densité de puissance en fonction de la tension de pile pour les piles à combustible obtenues conformément aux exemples comparatifs 2 et 3.

Description detaillee de l'invention

La présente invention concerne des piles à combustible à alcool direct contenant des électrolytes acides solides et utilisant un catalyseur de reformage interne en contact physique avec un ensemble membrane-électrode (MEA) conçu pour reformer le carburant à base d'alcool afin de produire de l'hydrogène. Comme indiqué ci-dessus, les performances des piles à combustible, qui convertissent l'énergie chimique des alcools directement en énergie électrique, restent insatisfaisantes en raison des limitations cinétiques imposées par les catalyseurs des électrodes des piles à combustible. Cependant, il est bien connu que ces limitations cinétiques sont considérablement réduites lorsque l’on utilise de l’hydrogène. En conséquence, la présente invention utilise un catalyseur de reformage ou un reformeur pour reformer un carburant alcoolisé afin de produire de l'hydrogène, réduisant ou éliminant ainsi les limitations cinétiques associées au carburant alcoolique. Les carburants alcoolisés sont reformés à la vapeur selon les exemples de réaction suivants :

Méthanol en hydrogène : CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ;

Éthanol en hydrogène : C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2.

Cependant, la réaction de reformage est fortement endothermique. Par conséquent, pour obtenir la force motrice de la réaction de reformage, le reformeur doit être chauffé. La quantité de chaleur requise est généralement d'environ 59 kJ par mole de méthanol (équivalent à la combustion d'environ 0,25 mole d'hydrogène) et d'environ 190 kJ par mole d'éthanol (équivalent à la combustion d'environ 0,78 mole d'hydrogène).

En raison du passage du courant électrique pendant le fonctionnement des piles à combustible, de la chaleur perdue est générée, dont l'élimination efficace est problématique. Cependant, la génération de cette chaleur perdue rend le placement du reformeur directement à côté de la pile à combustible un choix naturel. Cette configuration permet à l'hydrogène d'être fourni du reformeur à la pile à combustible et de refroidir la pile à combustible, et permet à la pile à combustible de chauffer le reformeur et de fournir la force motrice pour les réactions à l'intérieur de celui-ci. Cette configuration est utilisée dans les piles à combustible à carbonate fondu et pour les réactions de reformage du méthane se produisant à environ 650°C. Cependant, les réactions de reformage d'alcool se produisent généralement à des températures allant d'environ 200°C à environ 350°C, et aucune pile à combustible appropriée utilisant le reformage d'alcool n'a encore été développée.

La présente invention concerne une telle pile à combustible utilisant le reformage d'alcool. Comme illustré sur la FIGURE 1, une pile à combustible 10 conforme à la présente invention comprend généralement une première couche de collecteur de courant/diffusion de gaz 12, une anode 12a, une deuxième couche de collecteur de courant/diffusion de gaz 14, une cathode 14a, un électrolyte 16, et un catalyseur de reformage interne 18. Catalyseur de reformage interne 18 situé à côté de l'anode 12a. Plus précisément, le catalyseur de reformage 18 est positionné entre la première couche de diffusion gazeuse 12 et l'anode 12a. Tout catalyseur de reformage approprié connu 18 peut être utilisé. Des exemples non limitatifs de catalyseurs de reformage appropriés comprennent des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

N'importe quel carburant alcoolisé tel que le méthanol, l'éthanol et le propanol peut être utilisé. De plus, l’éther diméthylique peut être utilisé comme carburant.

Historiquement, cette configuration n’était pas considérée comme possible pour les piles à combustible à alcool en raison de la nature endothermique de la réaction de reformage et de la sensibilité de l’électrolyte à la chaleur. Les piles à combustible à alcool typiques utilisent des membranes électrolytiques polymères qui ne peuvent pas résister à la chaleur nécessaire pour fournir la force motrice du catalyseur de reformage. Cependant, les électrolytes utilisés dans les piles à combustible de la présente invention contiennent des électrolytes acides solides, tels que ceux décrits dans le brevet américain n° 6 468 684 intitulé PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, dont le contenu entier est incorporé ici à titre de référence, et à en même temps, la demande de brevet américain en instance n° de série 10/139043 intitulée PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, dont le contenu complet est également incorporé ici à titre de référence. Un exemple non limitatif d'un acide solide approprié pour être utilisé comme électrolyte dans la présente invention est le CsH 2 PO 4 . Les électrolytes acides solides utilisés dans les piles à combustible de la présente invention peuvent résister à des températures beaucoup plus élevées, permettant de placer le catalyseur de reformage directement à côté de l'anode. De plus, la réaction de reformage endothermique consomme la chaleur générée par les réactions exothermiques dans la pile à combustible, formant ainsi un système thermiquement équilibré.

Ces acides solides sont utilisés dans leurs phases superprotiques et agissent comme des membranes conductrices de protons dans la plage de températures d'environ 100°C à environ 350°C. L’extrémité supérieure de cette plage de températures est idéale pour reformer le méthanol. Pour fournir une génération de chaleur suffisante pour fournir la force motrice de la réaction de reformage et pour assurer la conductivité protonique de l'électrolyte acide solide, la pile à combustible de la présente invention fonctionne de préférence à des températures allant d'environ 100°C à environ 500°C. Cependant, il est préférable de faire fonctionner la pile à combustible à des températures allant d'environ 200°C à environ 350°C. En plus d'améliorer considérablement les performances des piles à combustible à alcool, les températures de fonctionnement relativement élevées des piles à combustible à alcool de l'invention peuvent permettre le remplacement de catalyseurs métalliques coûteux tels que le Pt/Ru et le Pt sur l'anode et la cathode, respectivement, avec moins de coûts. matériaux catalyseurs coûteux.

Les exemples et exemples comparatifs suivants illustrent les caractéristiques de performances supérieures des piles à combustible à alcool de l'invention. Cependant, ces exemples sont présentés uniquement à des fins d'illustration et ne doivent pas être interprétés comme limitant l'invention à ces exemples.

Exemple 1 : Pile à combustible au méthanol

13 mg/cm2 de Pt/Ru ont été utilisés comme électrocatalyseur anodique. Cu (30 % en poids) - Zn (20 % en poids) - Al a été utilisé comme catalyseur de reformage interne. 15 mg/cm2 de Pt ont été utilisés comme électrocatalyseur cathodique. Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 160 µm a été utilisée comme électrolyte. Des mélanges de méthanol et d'eau convertis en vapeur ont été introduits dans l'espace anodique à un débit de 100 µL/min. 30 % d'oxygène humidifié ont été fournis à la cathode à un débit de 50 cm3/min (température et pression standard). Le rapport méthanol:eau était de 25:75. La température de l'élément a été réglée à 260°C.

Exemple 2 : Pile à combustible à l'éthanol

13 mg/cm2 de Pt/Ru ont été utilisés comme électrocatalyseur anodique. Cu (30 % en poids) - Zn (20 % en poids) - Al a été utilisé comme catalyseur de reformage interne. 15 mg/cm2 de Pt ont été utilisés comme électrocatalyseur cathodique. Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 160 µm a été utilisée comme électrolyte. Des mélanges d'éthanol et d'eau convertis en vapeur ont été introduits dans l'espace anodique à un débit de 100 µL/min. 30 % d'oxygène humidifié ont été fournis à la cathode à un débit de 50 cm3/min (température et pression standard). Le rapport éthanol:eau était de 15:85. La température de l'élément a été réglée à 260°C.

Exemple comparatif 1 - Pile à combustible utilisant du H 2 pur

13 mg/cm2 de Pt/Ru ont été utilisés comme électrocatalyseur anodique. 15 mg/cm2 de Pt ont été utilisés comme électrocatalyseur cathodique. Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 160 µm a été utilisée comme électrolyte. 3 % d’hydrogène humidifié ont été fournis à l’espace anodique à un débit de 100 µL/min. 30 % d'oxygène humidifié ont été fournis à la cathode à un débit de 50 cm3/min (température et pression standard). La température de l'élément a été réglée à 260°C.

La figure 2 montre les courbes de la relation entre la puissance spécifique et la tension de la cellule pour les exemples 1 et 2 et l'exemple comparatif 1. Comme indiqué, pour la pile à combustible au méthanol (exemple 1), une densité de puissance maximale de 69 mW/cm 2 est atteinte, pour la pile à combustible à éthanol (exemple 2) atteint une densité de puissance maximale de 53 mW/cm2, et pour une pile à combustible à hydrogène (exemple comparatif 1), une densité de puissance maximale de 80 est atteinte

mW/cm2. Ces résultats montrent que les piles à combustible obtenues conformément à l'exemple 1 et à l'exemple comparatif 1 sont très similaires, ce qui indique que la pile à combustible au méthanol comportant un reformeur présente des performances presque aussi bonnes que celles d'une pile à combustible à hydrogène, ce qui constitue une amélioration significative. Cependant, comme le démontrent les exemples et exemples comparatifs suivants, en réduisant l'épaisseur de l'électrolyte, une augmentation supplémentaire de la densité de puissance est obtenue.

La pile à combustible a été fabriquée par dépôt en suspension de CsH 2 PO 4 sur un support poreux en acier inoxydable, qui servait à la fois de couche de diffusion gazeuse et de collecteur de courant. La couche d'électrocatalyseur cathodique a d'abord été déposée sur la couche de diffusion gazeuse puis pressée avant le dépôt de la couche d'électrolyte. Après cela, une couche d’électrocatalyseur anodique a été déposée, suivie du placement d’une deuxième électrode à diffusion gazeuse comme couche finale de la structure.

Un mélange de CsH 2 PO 4 , Pt (50 % en poids atomique) Ru, Pt (40 % en poids) - Ru (20 % en poids) supporté sur C (40 % en poids) et du naphtalène a été utilisé comme électrode anodique. Le rapport des composants dans le mélange de CsH 2 PO 4 : Pt-Ru : Pt-Ru-C : naphtalène était de 3 : 3 : 1 : 0,5 (en poids). Le mélange a été utilisé en une quantité totale de 50 mg. Les charges de Pt et de Ru étaient respectivement de 5,6 mg/cm2 et 2,9 mg/cm2. La superficie de l'électrode anodique était de 1,74 cm 2 .

Un mélange de CsH 2 PO 4 , Pt, Pt (50 % en poids) déposé sur C (50 % en poids) et du naphtalène a été utilisé comme électrode cathodique. Le rapport des composants dans le mélange de CsH 2 PO 4 : Pt : Pt-C : naphtalène était de 3 : 3 : 1 : 1 (en poids). Le mélange a été utilisé en une quantité totale de 50 mg. Les charges en Pt étaient de 7,7 mg/cm 2 . La surface de la cathode était de 2,3 à 2,9 cm1.

CuO (30 en poids %) - ZnO (20 en poids %) - Al 2 O 3 a été utilisé comme catalyseur de reformage, c'est-à-dire CuO (31 mol. %) - ZnO (16 mol. %) - Al 2 O 3 . Le catalyseur de reformage a été préparé par une méthode de co-précipitation utilisant une solution de nitrate de cuivre, de zinc et d'aluminium (la concentration totale en métal était de 1 mol/L) et une solution aqueuse de carbonates de sodium (1,1 mol/L). Le précipité a été lavé avec de l'eau désionisée, filtré et séché à l'air à 120°C pendant 12 heures. La poudre séchée en quantité de 1 g a été légèrement pressée jusqu'à une épaisseur de 3,1 mm et un diamètre de 15,6 mm, puis calcinée à 350°C pendant 2 heures.

Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 47 µm a été utilisée comme électrolyte.

Une solution méthanol-eau (43 % vol. ou 37 % en poids ou 25 % mol. ou 1,85 M de méthanol) a été introduite dans un évaporateur en verre (200 °C) à un débit de 135 µL/min. La température de l'élément a été réglée à 260°C.

La pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf que ce n'est pas un mélange méthanol-eau, mais un mélange éthanol-eau (36 % vol. ou 31 % poids) qui a été introduit dans l'évaporateur (200°C) à une débit de 114 µl/min soit 15 mol.%, soit 0,98 M d'éthanol).

La pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf qu'à un débit de 100 µL/min, au lieu d'un mélange méthanol-eau, de la vodka (Absolut Vodka, Suède) (40 % vol. ou 34 % poids, ou 17% mol) a été fourni de l'éthanol).

Exemple comparatif 2

La pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf qu'au lieu d'un mélange méthanol-eau, de l'hydrogène séché a été utilisé à raison de 100 centimètres cubes standards par minute, humidifié avec de l'eau chaude (70°C).

Exemple comparatif 3

Une pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf qu'aucun catalyseur de reformage n'a été utilisé et que la température de la pile a été réglée à 240°C.

Exemple comparatif 4

Une pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple comparatif 2, sauf que la température de la pile a été réglée à 240°C.

La figure 3 montre les courbes de densité de puissance en fonction de la tension de la cellule pour les exemples 3, 4 et 5 et l'exemple comparatif 2. Comme indiqué, la pile à combustible au méthanol (exemple 3) a atteint une densité de puissance maximale de 224 mW/cm2, ce qui représente une augmentation significative de la puissance. densité par rapport à la pile à combustible obtenue conformément à l'exemple 1 et présentant un électrolyte beaucoup plus épais. Cette pile à combustible au méthanol démontre également une amélioration spectaculaire des performances par rapport aux piles à combustible au méthanol qui n'utilisent pas de reformeur interne, comme le montre mieux la figure 4. La pile à combustible à l'éthanol (exemple 4) démontre également une densité de puissance et une tension de cellule accrues par rapport à la pile à combustible au méthanol. pile à combustible à éthanol ayant une membrane électrolytique plus épaisse (exemple 2). Cependant, il a été démontré que la pile à combustible au méthanol (exemple 3) fonctionne mieux que la pile à combustible à l'éthanol (exemple 4). Pour la pile à combustible vodka (exemple 5), on atteint des densités de puissance comparables à celles d'une pile à combustible éthanol. Comme le montre la figure 3, la pile à combustible au méthanol (exemple 3) présente des caractéristiques de performances approximativement aussi bonnes que celles de la pile à combustible à hydrogène (exemple comparatif 2).

La figure 4 montre les courbes de densité de puissance en fonction de la tension de cellule pour les exemples comparatifs 3 et 4. Comme indiqué, la pile à combustible au méthanol sans reformeur (exemple comparatif 3) atteint des densités de puissance qui sont nettement inférieures à celles obtenues pour la pile à combustible à hydrogène (exemple comparatif 4). De plus, les figures 2, 3 et 4 montrent que, par rapport à une pile à combustible au méthanol sans reformeur (exemple comparatif 3), des densités de puissance significativement plus élevées sont obtenues pour les piles à combustible au méthanol avec reformeurs (exemples 1 et 3).

La description précédente a été présentée pour présenter les modes de réalisation actuellement préférés de l'invention. L'homme du métier et de la technologie concernés par la présente invention comprendra que des changements et des modifications peuvent être apportés aux modes de réalisation décrits sans s'écarter de manière significative des principes, de la portée et de l'esprit de la présente invention. En conséquence, la description précédente ne doit pas être considérée comme faisant référence uniquement aux modes de réalisation spécifiques décrits, mais doit plutôt être comprise comme étant cohérente et soutenant les revendications suivantes, qui contiennent la portée la plus complète et la plus objective de l'invention.

1. Pile à combustible comprenant : une couche électrocatalytique d'anode, une couche électrocatalytique de cathode, une couche d'électrolyte contenant un acide solide, une couche de diffusion de gaz et un catalyseur de reformage interne situé à côté de la couche électrocatalytique d'anode, de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique d'anode et la couche de diffusion de gaz et est en contact physique avec la couche électrocatalytique d'anode.

2. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle l'électrolyte acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

3. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

4. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :





réserve de carburant; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 100°C à environ 500°C.

5. Procédé selon la revendication 4, où le carburant est de l'alcool.

6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le carburant est choisi dans le groupe constitué du méthanol, de l'éthanol, du propanol et du diméthyléther.

7. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la pile à combustible fonctionne à une température comprise entre environ 200°C et environ 350°C.

8. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

9. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'électrolyte contient un acide solide.

10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

11. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :
formation d'une couche électrocatalytique anodique ;
formation d'une couche électrocatalytique cathodique ;
former une couche d'électrolyte contenant un acide solide ;
formation d'une couche de diffusion de gaz et
former un catalyseur de reformage interne adjacent à la couche électrocatalytique anodique de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique anodique et la couche de diffusion gazeuse et soit en contact physique avec la couche électrocatalytique anodique ;
réserve de carburant; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 200°C à environ 350°C.

12. Procédé selon la revendication 11, où le carburant est de l'alcool.

13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le carburant est choisi dans le groupe constitué du méthanol, de l'éthanol, du propanol et du diméthyléther.

14. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué d'un mélange d'oxydes de Cu-Zn-Al, de mélanges d'oxydes de Cu-Co-Zn-Al et de mélanges d'oxydes de Cu-Zn-Al-Zr. .

15. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'électrolyte contient un acide solide.

16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel l'acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

17. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :
formation d'une couche électrocatalytique anodique ;
formation d'une couche électrocatalytique cathodique ;
former une couche d'électrolyte contenant un acide solide ;
formation d'une couche de diffusion de gaz et
former un catalyseur de reformage interne adjacent à la couche électrocatalytique anodique de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique anodique et la couche de diffusion gazeuse et soit en contact physique avec la couche électrocatalytique anodique ;
fourniture de carburant alcoolisé; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 100°C à environ 500°C.

18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le carburant est choisi dans le groupe constitué du méthanol, de l'éthanol, du propanol et du diméthyléther.

19. Procédé selon la revendication 17, dans lequel la pile à combustible fonctionne à une température allant d'environ 200°C à environ 350°C.

20. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

21. Procédé selon la revendication 17, dans lequel l'électrolyte acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

22. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :
formation d'une couche électrocatalytique anodique ;
formation d'une couche électrocatalytique cathodique ;
former une couche d'électrolyte contenant un acide solide ;
formation d'une couche de diffusion de gaz et
former un catalyseur de reformage interne adjacent à la couche électrocatalytique anodique de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique anodique et la couche de diffusion gazeuse et soit en contact physique avec la couche électrocatalytique anodique ;
fourniture de carburant alcoolisé; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 200°C à environ 350°C.

L'invention concerne les piles à combustible à alcool à action directe utilisant des électrolytes acides solides et des catalyseurs de reformage internes.

Préparez tout ce dont vous avez besoin. Pour fabriquer une simple pile à combustible, vous aurez besoin de 12 pouces de fil de platine ou recouvert de platine, d'un bâton de glace, d'une pile de 9 volts et d'un support de pile, de ruban adhésif transparent, d'un verre d'eau, de sel de table (facultatif), d'un métal fin. tige et un voltmètre.

• Une pile de 9 volts et un support de pile peuvent être achetés dans un magasin d'électronique ou de quincaillerie.

Coupez deux morceaux de 15 centimètres de long dans du fil de platine ou recouvert de platine. Le fil de platine est utilisé à des fins spéciales et peut être acheté dans un magasin d'électronique. Il servira de catalyseur à la réaction.

Vous ne surprendrez plus personne avec des panneaux solaires ou des éoliennes, qui produisent de l'électricité dans toutes les régions du monde. Mais le rendement de ces appareils n'est pas constant et il est nécessaire d'installer des sources d'alimentation de secours ou de se connecter au réseau pour obtenir de l'électricité pendant la période où les sources d'énergie renouvelables ne produisent pas d'électricité. Il existe cependant des centrales développées au XIXe siècle qui utilisent des combustibles « alternatifs » pour produire de l’électricité, c’est-à-dire qui ne brûlent pas de gaz ni de produits pétroliers. De telles installations sont des piles à combustible.

HISTOIRE DE LA CRÉATION

Les piles à combustible (FC) ou piles à combustible ont été découvertes en 1838-1839 par William Grove (Grove, Grove), alors qu'il étudiait l'électrolyse de l'eau.

Aide : L'électrolyse de l'eau est le processus de décomposition de l'eau sous l'influence du courant électrique en molécules d'hydrogène et d'oxygène

Après avoir débranché la batterie de la cellule électrolytique, il fut surpris de constater que les électrodes commençaient à absorber le gaz libéré et à générer du courant. La découverte du processus de combustion électrochimique « à froid » de l’hydrogène a été un événement marquant dans le secteur de l’énergie. Il a ensuite créé la batterie Grove. Cet appareil avait une électrode de platine immergée dans de l'acide nitrique et une électrode de zinc dans du sulfate de zinc. Il générait un courant de 12 ampères et une tension de 8 volts. Grow lui-même a appelé cette conception "batterie humide". Il a ensuite créé une batterie utilisant deux électrodes de platine. Une extrémité de chaque électrode était dans de l'acide sulfurique et les autres extrémités étaient scellées dans des récipients contenant de l'hydrogène et de l'oxygène. Il y avait un courant stable entre les électrodes et la quantité d'eau à l'intérieur des récipients augmentait. Grow a pu décomposer et améliorer l'eau de cet appareil.

« Croissance de la batterie »

(source : Société Royale du Muséum National d'Histoire Naturelle)

Le terme « pile à combustible » (en anglais « Fuel Cell ») n'est apparu qu'en 1889 par L. Mond et
C. Langer, qui a tenté de créer un dispositif permettant de produire de l'électricité à partir de l'air et du gaz de houille.

COMMENT ÇA FONCTIONNE?

Une pile à combustible est un appareil relativement simple. Il comporte deux électrodes : anode (électrode négative) et cathode (électrode positive). Une réaction chimique se produit au niveau des électrodes. Pour l'accélérer, la surface des électrodes est recouverte d'un catalyseur. Les FC sont équipés d'un élément supplémentaire -membrane. La conversion de l'énergie chimique du combustible directement en électricité s'effectue grâce au travail de la membrane. Il sépare les deux chambres de l'élément dans lesquelles le carburant et le comburant sont fournis. La membrane permet uniquement aux protons, produits à la suite de la division du combustible, de passer d'une chambre à l'autre au niveau d'une électrode recouverte d'un catalyseur (les électrons voyagent ensuite à travers un circuit externe). Dans la deuxième chambre, les protons se combinent avec les électrons (et les atomes d’oxygène) pour former de l’eau.

Principe de fonctionnement d'une pile à combustible à hydrogène

Au niveau chimique, le processus de conversion de l'énergie du combustible en énergie électrique est similaire au processus de combustion conventionnel (oxydation).

Lors d'une combustion normale dans l'oxygène, le combustible organique s'oxyde et l'énergie chimique du combustible est convertie en énergie thermique. Voyons ce qui se passe lors de l'oxydation de l'hydrogène avec l'oxygène dans un environnement électrolytique et en présence d'électrodes.

En fournissant de l'hydrogène à une électrode située dans un environnement alcalin, une réaction chimique se produit :

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Comme vous pouvez le constater, nous obtenons des électrons qui, en passant par le circuit externe, arrivent à l'électrode opposée, vers laquelle circule l'oxygène et où se produit la réaction :

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

On peut voir que la réaction résultante 2H 2 + O 2 → H 2 O est la même que lors d'une combustion normale, mais La pile à combustible produit du courant électrique et de la chaleur.

TYPES DE PILES À COMBUSTIBLE

Il est d'usage de classer les piles à combustible selon le type d'électrolyte utilisé pour la réaction :

Notez que les piles à combustible peuvent également utiliser du charbon, du monoxyde de carbone, des alcools, de l'hydrazine et d'autres substances organiques comme carburant, et de l'air, du peroxyde d'hydrogène, du chlore, du brome, de l'acide nitrique, etc. comme agents oxydants.

EFFICACITÉ DES PILES À COMBUSTIBLE

Une caractéristique des piles à combustible est pas de limitation stricte de l'efficacité, comme les moteurs thermiques.

Aide : EfficacitéCycle Carnot est le rendement le plus élevé possible parmi tous les moteurs thermiques avec les mêmes températures minimales et maximales.

Par conséquent, l’efficacité des piles à combustible peut en théorie être supérieure à 100 %. Beaucoup souriaient et pensaient : « La machine à mouvement perpétuel a été inventée. » Non, ici, nous devrions retourner au cours de chimie de l'école. La pile à combustible repose sur la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. C'est ici que les miracles se produisent. Certaines réactions chimiques, lorsqu'elles se produisent, peuvent absorber la chaleur de l'environnement.

Aide : Les réactions endothermiques sont des réactions chimiques accompagnées d'une absorption de chaleur. Pour les réactions endothermiques, les changements d'enthalpie et d'énergie interne ont des valeurs positives (Δ H >0, Δ U >0), les produits de réaction contiennent donc plus d'énergie que les composants de départ.

Un exemple d’une telle réaction est l’oxydation de l’hydrogène, utilisé dans la plupart des piles à combustible. Par conséquent, en théorie, l’efficacité peut être supérieure à 100 %. Mais aujourd’hui, les piles à combustible chauffent pendant leur fonctionnement et ne peuvent pas absorber la chaleur de l’environnement.

Aide : Cette limitation est imposée par la deuxième loi de la thermodynamique. Le processus de transfert de chaleur d’un corps « froid » à un corps « chaud » n’est pas possible.

De plus, il existe des pertes associées aux processus hors équilibre. Tels que : les pertes ohmiques dues à la conductivité spécifique de l'électrolyte et des électrodes, la polarisation d'activation et de concentration, les pertes par diffusion. Ainsi, une partie de l’énergie générée par les piles à combustible est transformée en chaleur. Les piles à combustible ne sont donc pas des machines à mouvement perpétuel et leur efficacité est inférieure à 100 %. Mais leur efficacité est supérieure à celle des autres machines. Aujourd'hui L'efficacité de la pile à combustible atteint 80 %.

Référence: Dans les années quarante, l'ingénieur anglais T. Bacon a conçu et construit une batterie à pile à combustible d'une puissance totale de 6 kW et d'un rendement de 80 %, fonctionnant à l'hydrogène et à l'oxygène purs, mais le rapport puissance/poids de la batterie a changé. trop petits - ces éléments étaient impropres à une utilisation pratique et trop chers (source : http://www.powerinfo.ru/).

PROBLÈMES DE PILE À COMBUSTIBLE

Presque toutes les piles à combustible utilisent de l’hydrogène comme carburant, la question logique se pose donc : « Où puis-je l’obtenir ? »

Il semble qu'une pile à combustible ait été découverte grâce à l'électrolyse, il est donc possible d'utiliser l'hydrogène libéré par l'électrolyse. Mais regardons ce processus plus en détail.

Selon la loi de Faraday : la quantité d'une substance oxydée à l'anode ou réduite à la cathode est proportionnelle à la quantité d'électricité traversant l'électrolyte. Cela signifie que pour obtenir plus d’hydrogène, il faut dépenser plus d’électricité. Les méthodes existantes d'électrolyse de l'eau fonctionnent avec une efficacité inférieure à un. Nous utilisons ensuite l’hydrogène obtenu dans des piles à combustible, dont le rendement est également inférieur à l’unité. Nous dépenserons donc plus d’énergie que nous ne pouvons en produire.

Bien entendu, vous pouvez utiliser de l’hydrogène produit à partir de gaz naturel. Cette méthode de production d’hydrogène reste la moins chère et la plus populaire. Actuellement, environ 50 % de l’hydrogène produit dans le monde provient du gaz naturel. Mais il existe un problème de stockage et de transport de l’hydrogène. L'hydrogène a une faible densité ( un litre d'hydrogène pèse 0,0846 g), donc pour le transporter sur de longues distances, il doit être compressé. Et ce sont des coûts énergétiques et monétaires supplémentaires. N'oubliez pas non plus la sécurité.

Cependant, il existe également une solution : les hydrocarbures liquides peuvent être utilisés comme source d'hydrogène. Par exemple, l'alcool éthylique ou méthylique. Certes, cela nécessite un dispositif supplémentaire spécial - un convertisseur de carburant qui, à haute température (pour le méthanol, il sera d'environ 240 ° C), convertit les alcools en un mélange de H 2 gazeux et de CO 2. Mais dans ce cas, il est déjà plus difficile de penser à la portabilité - de tels appareils sont bons à utiliser comme générateurs fixes ou automobiles, mais pour un équipement mobile compact, vous avez besoin de quelque chose de moins encombrant.

Catalyseur

Pour améliorer la réaction dans la pile à combustible, la surface de l'anode est généralement un catalyseur. Jusqu'à récemment, le platine était utilisé comme catalyseur. Le coût de la pile à combustible était donc élevé. Deuxièmement, le platine est un métal relativement rare. Selon les experts, avec la production industrielle de piles à combustible, les réserves prouvées de platine s'épuiseront d'ici 15 à 20 ans. Mais les scientifiques du monde entier tentent de remplacer le platine par d’autres matériaux. D’ailleurs, certains d’entre eux ont obtenu de bons résultats. Les scientifiques chinois ont donc remplacé le platine par de l'oxyde de calcium (source : www.cheburek.net).

UTILISER DES PILES À COMBUSTIBLE

Pour la première fois, une pile à combustible a été testée dans un équipement automobile en 1959. Le tracteur Alice-Chambers utilisait 1 008 batteries pour fonctionner. Le carburant était un mélange de gaz, principalement du propane et de l'oxygène.

Source : http://www.planetseed.com/

Depuis le milieu des années 60, au plus fort de la « course à l’espace », les créateurs d’engins spatiaux se sont intéressés aux piles à combustible. Le travail de milliers de scientifiques et d'ingénieurs nous a permis d'atteindre un nouveau niveau, et ce en 1965. Les piles à combustible ont été testées aux États-Unis sur la sonde Gemini 5, puis sur la sonde Apollo pour les vols vers la Lune et le programme Shuttle. En URSS, des piles à combustible ont été développées chez NPO Kvant, également pour une utilisation dans l'espace (source : http://www.powerinfo.ru/).

Étant donné que dans une pile à combustible, le produit final de la combustion de l’hydrogène est de l’eau, elles sont considérées comme les plus propres en termes d’impact environnemental. Par conséquent, les piles à combustible ont commencé à gagner en popularité dans un contexte d’intérêt général pour l’environnement.

Des constructeurs automobiles tels que Honda, Ford, Nissan et Mercedes-Benz ont déjà créé des voitures alimentées par des piles à combustible à hydrogène.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force propulsé à l'hydrogène

L’utilisation de voitures à hydrogène résout le problème du stockage de l’hydrogène. La construction de stations-service à hydrogène permettra de faire le plein n’importe où. De plus, faire le plein d’hydrogène d’une voiture est plus rapide que recharger une voiture électrique dans une station-service. Mais lors de la mise en œuvre de tels projets, nous avons été confrontés à un problème similaire à celui des véhicules électriques. Les gens sont prêts à passer à une voiture à hydrogène s’il existe une infrastructure pour eux. Et la construction de stations-service débutera s'il y a un nombre suffisant de consommateurs. Nous sommes donc à nouveau confrontés au dilemme de l’œuf et de la poule.

Les piles à combustible sont largement utilisées dans les téléphones mobiles et les ordinateurs portables. Le temps où le téléphone était rechargé une fois par semaine est déjà révolu. Désormais, le téléphone est chargé presque tous les jours et l'ordinateur portable fonctionne pendant 3 à 4 heures sans réseau. Par conséquent, les fabricants de technologies mobiles ont décidé de synthétiser une pile à combustible avec des téléphones et des ordinateurs portables pour le chargement et le fonctionnement. Par exemple, la société Toshiba en 2003. a présenté un prototype fini de pile à combustible au méthanol. Il produit une puissance d'environ 100 mW. Une recharge de 2 cubes de méthanol concentré (99,5%) suffit pour 20 heures de fonctionnement du lecteur MP3. Encore une fois, le même Toshiba a présenté une batterie pour alimenter des ordinateurs portables mesurant 275x75x40mm, permettant à l'ordinateur de fonctionner pendant 5 heures avec une seule charge.

Mais certains constructeurs sont allés plus loin. La société PowerTrekk a sorti un chargeur du même nom. PowerTrekk est le premier chargeur d'eau au monde. Il est très simple à utiliser. Le PowerTrekk nécessite l'ajout d'eau pour fournir de l'électricité instantanée via le cordon USB. Cette pile à combustible contient de la poudre de silicium et du siliciure de sodium (NaSi) lorsqu'elle est mélangée à de l'eau, la combinaison génère de l'hydrogène. L'hydrogène est mélangé à l'air dans la pile à combustible elle-même et convertit l'hydrogène en électricité grâce à son échange membrane-proton, sans ventilateurs ni pompes. Vous pouvez acheter un tel chargeur portable pour 149 € (

Les piles à combustible (générateurs électrochimiques) représentent une méthode de production d’énergie très efficace, durable, fiable et respectueuse de l’environnement. Au départ, ils n'étaient utilisés que dans l'industrie spatiale, mais aujourd'hui, les générateurs électrochimiques sont de plus en plus utilisés dans divers domaines : alimentations électriques pour téléphones portables et ordinateurs portables, moteurs de véhicules, sources d'énergie autonomes pour les bâtiments et centrales électriques fixes. Certains de ces appareils fonctionnent comme des prototypes de laboratoire, tandis que d'autres sont utilisés à des fins de démonstration ou font l'objet de tests de pré-production. Cependant, de nombreux modèles sont déjà utilisés dans des projets commerciaux et sont produits en série.

Appareil

Les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques capables de fournir un taux élevé de conversion de l'énergie chimique existante en énergie électrique.

Le dispositif à pile à combustible comprend trois parties principales :

1. Section de production d'énergie ;
2. CPU;
3. Transformateur de tension.

La partie principale de la pile à combustible est la section de production d’électricité, qui est une batterie composée de piles à combustible individuelles. Un catalyseur en platine est inclus dans la structure des électrodes de la pile à combustible. Grâce à ces cellules, un courant électrique constant est créé.

L'un de ces appareils présente les caractéristiques suivantes : à une tension de 155 volts, 1400 ampères sont produits. Les dimensions de la batterie sont de 0,9 m de largeur et de hauteur et de 2,9 m de longueur. Le processus électrochimique est effectué à une température de 177 °C, ce qui nécessite un échauffement de la batterie au moment du démarrage, ainsi qu'une évacuation de la chaleur pendant son fonctionnement. A cet effet, un circuit d'eau séparé est inclus dans la pile à combustible et la batterie est équipée de plaques de refroidissement spéciales.

Le processus de combustible convertit le gaz naturel en hydrogène, nécessaire à une réaction électrochimique. L'élément principal du processeur de combustible est le reformeur. Dans celui-ci, le gaz naturel (ou autre combustible contenant de l'hydrogène) interagit à haute pression et haute température (environ 900°C) avec la vapeur d'eau sous l'action d'un catalyseur au nickel.

Pour maintenir la température requise du reformeur, il y a un brûleur. La vapeur nécessaire au reformage est créée à partir du condensat. Un courant continu instable est généré dans la batterie à pile à combustible et un convertisseur de tension est utilisé pour le convertir.

Le bloc convertisseur de tension contient également :

• Appareils de controle.
• Circuits de verrouillage de sécurité qui arrêtent la pile à combustible en cas de divers défauts.

Principe de fonctionnement

La cellule à membrane échangeuse de protons la plus simple est constituée d'une membrane polymère située entre l'anode et la cathode, ainsi que les catalyseurs cathodiques et anodiques. La membrane polymère est utilisée comme électrolyte.

• La membrane échangeuse de protons ressemble à un mince composé organique solide de faible épaisseur. Cette membrane fonctionne comme un électrolyte ; en présence d’eau, elle sépare la substance en ions chargés négativement et positivement.
• L'oxydation commence à l'anode et la réduction se produit à la cathode. La cathode et l'anode d'une cellule PEM sont constituées d'un matériau poreux ; il s'agit d'un mélange de particules de platine et de carbone. Le platine agit comme un catalyseur favorisant la réaction de dissociation. La cathode et l'anode sont rendues poreuses afin que l'oxygène et l'hydrogène les traversent librement.
• L'anode et la cathode sont situées entre deux plaques métalliques, elles fournissent de l'oxygène et de l'hydrogène à la cathode et à l'anode, et évacuent l'énergie électrique, la chaleur et l'eau.
• Par les canaux de la plaque, les molécules d’hydrogène pénètrent dans l’anode, où elles sont décomposées en atomes.
• À la suite d’une chimisorption sous l’influence d’un catalyseur, les atomes d’hydrogène sont convertis en ions hydrogène H+ chargés positivement, c’est-à-dire en protons.
• Les protons diffusent vers la cathode à travers la membrane et un flux d'électrons va vers la cathode via un circuit électrique externe spécial. Une charge y est connectée, c'est-à-dire un consommateur d'énergie électrique.
• L'oxygène, qui est fourni à la cathode, lors de l'exposition, entre dans une réaction chimique avec les électrons du circuit électrique externe et les ions hydrogène de la membrane échangeuse de protons. À la suite de cette réaction chimique, de l'eau apparaît.

La réaction chimique qui se produit dans d'autres types de piles à combustible (par exemple, avec un électrolyte acide sous forme d'acide orthophosphorique H3PO4) est totalement identique à la réaction d'un dispositif avec une membrane échangeuse de protons.

Types

Actuellement, on connaît plusieurs types de piles à combustible, qui diffèrent par la composition de l'électrolyte utilisé :

• Piles à combustible à base d'acide orthophosphorique ou phosphorique (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Appareils à membrane échangeuse de protons (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Piles à combustible à oxyde solide (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Générateurs électrochimiques à base de carbonate fondu (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Actuellement, les générateurs électrochimiques utilisant la technologie PAFC se sont généralisés.

Application

Aujourd’hui, les piles à combustible sont utilisées dans la navette spatiale, un vaisseau spatial réutilisable. Ils utilisent des unités de 12 W. Ils génèrent toute l’électricité du vaisseau spatial. L'eau formée lors de la réaction électrochimique est utilisée pour la boisson, y compris pour le refroidissement des équipements.

Des générateurs électrochimiques ont également été utilisés pour alimenter le Bourane soviétique, un vaisseau spatial réutilisable.

Les piles à combustible sont également utilisées dans des applications civiles.

• Installations fixes d'une puissance de 5 à 250 kW et plus. Ils sont utilisés comme sources autonomes pour l'alimentation en chaleur et en électricité des bâtiments industriels, publics et résidentiels, comme alimentations électriques de secours et de secours et comme alimentations électriques sans interruption.
• Unités portables d'une puissance de 1 à 50 kW. Ils sont utilisés pour les satellites spatiaux et les navires. Des instances sont créées pour les voiturettes de golf, les fauteuils roulants, les réfrigérateurs ferroviaires et de fret et les panneaux routiers.
• Installations mobiles d'une puissance de 25 à 150 kW. Ils commencent à être utilisés dans les navires et sous-marins militaires, notamment dans les voitures et autres véhicules. Des prototypes ont déjà été créés par des géants de l'automobile tels que Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford et d'autres.
• Microappareils d'une puissance de 1 à 500 W. Ils trouvent des applications dans les ordinateurs de poche avancés, les ordinateurs portables, les appareils électroniques grand public, les téléphones mobiles et les appareils militaires modernes.

Particularités

• Une partie de l’énergie issue de la réaction chimique dans chaque pile à combustible est libérée sous forme de chaleur. Réfrigération requise. Dans un circuit externe, le flux d’électrons crée un courant continu utilisé pour effectuer un travail. L'arrêt du mouvement des ions hydrogène ou l'ouverture du circuit externe entraîne l'arrêt de la réaction chimique.
• La quantité d’électricité créée par les piles à combustible est déterminée par la pression du gaz, la température, les dimensions géométriques et le type de pile à combustible. Pour augmenter la quantité d'électricité produite par la réaction, les piles à combustible peuvent être agrandies, mais en pratique, plusieurs cellules sont utilisées, qui sont combinées en batteries.
• Le processus chimique dans certains types de piles à combustible peut être inversé. Autrement dit, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée aux électrodes, l'eau peut être décomposée en oxygène et en hydrogène, qui seront collectés sur les électrodes poreuses. Lorsque la charge est allumée, une telle pile à combustible génère de l’énergie électrique.

Perspectives

Actuellement, les générateurs électrochimiques nécessitent des coûts initiaux élevés pour être utilisés comme principale source d'énergie. Avec l’introduction de membranes plus stables à haute conductivité, de catalyseurs efficaces et bon marché et de sources alternatives d’hydrogène, les piles à combustible deviendront très attractives sur le plan économique et seront mises en œuvre partout.

• Les voitures fonctionneront avec des piles à combustible ; il n’y aura plus de moteur à combustion interne. L’eau ou l’hydrogène solide seront utilisés comme source d’énergie. Le ravitaillement sera simple et sûr, et la conduite sera respectueuse de l'environnement : seule de la vapeur d'eau sera produite.
• Tous les bâtiments seront équipés de leurs propres générateurs électriques portables à pile à combustible.
• Des générateurs électrochimiques remplaceront toutes les batteries et seront installés dans tous les appareils électroniques et électroménagers.

Avantages et inconvénients

Chaque type de pile à combustible présente ses propres inconvénients et avantages. Certains nécessitent un carburant de haute qualité, d'autres ont une conception complexe et nécessitent des températures de fonctionnement élevées.

De manière générale, les avantages suivants des piles à combustible peuvent être notés :

• sécurité environnementale;
• les générateurs électrochimiques n'ont pas besoin d'être rechargés ;
• les générateurs électrochimiques peuvent créer de l'énergie en permanence, ils ne se soucient pas des conditions extérieures ;
• flexibilité en termes d’évolutivité et de portabilité.

Parmi les inconvénients figurent :

• difficultés techniques liées au stockage et au transport du carburant ;
• éléments imparfaits du dispositif : catalyseurs, membranes, etc.

Pile à combustible ( Pile à combustible) est un appareil qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique. Son principe est similaire à une batterie conventionnelle, mais sa différence est que son fonctionnement nécessite un apport constant de substances extérieures pour que la réaction électrochimique se produise. L'hydrogène et l'oxygène sont fournis aux piles à combustible et la production est de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. Leurs avantages incluent le respect de l'environnement, la fiabilité, la durabilité et la facilité d'utilisation. Contrairement aux batteries conventionnelles, les convertisseurs électrochimiques peuvent fonctionner pratiquement indéfiniment tant qu’ils fournissent du carburant. Il n'est pas nécessaire de les recharger pendant des heures jusqu'à ce qu'ils soient complètement chargés. De plus, les cellules elles-mêmes peuvent charger la batterie pendant que la voiture est garée avec le moteur éteint.

Les piles à combustible les plus utilisées dans les véhicules à hydrogène sont les piles à combustible à membrane protonique (PEMFC) et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC).

Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons fonctionne comme suit. Entre l'anode et la cathode se trouvent une membrane spéciale et un catalyseur recouvert de platine. L'hydrogène est fourni à l'anode et l'oxygène (par exemple, provenant de l'air) est fourni à la cathode. A l'anode, l'hydrogène est décomposé en protons et en électrons à l'aide d'un catalyseur. Les protons d'hydrogène traversent la membrane et atteignent la cathode, et les électrons sont transférés vers le circuit externe (la membrane ne leur laisse pas passer). La différence de potentiel ainsi obtenue conduit à la génération de courant électrique. Du côté de la cathode, les protons d'hydrogène sont oxydés par l'oxygène. En conséquence, de la vapeur d'eau apparaît, qui est le principal élément des gaz d'échappement des voitures. Possédant un rendement élevé, les cellules PEM présentent un inconvénient important : leur fonctionnement nécessite de l'hydrogène pur, dont le stockage constitue un problème assez sérieux.

Si l'on trouve un catalyseur qui remplace le platine coûteux dans ces cellules, une pile à combustible bon marché pour produire de l'électricité sera immédiatement créée, ce qui signifie que le monde se débarrassera de sa dépendance au pétrole.

Cellules à oxyde solide

Les cellules SOFC à oxyde solide sont beaucoup moins exigeantes en matière de pureté du carburant. De plus, grâce à l’utilisation d’un reformeur POX (Partial Oxidation), ces cellules peuvent consommer de l’essence ordinaire comme carburant. Le processus de conversion directe de l’essence en électricité est le suivant. Dans un appareil spécial - un reformeur, à une température d'environ 800°C, l'essence s'évapore et se décompose en ses éléments constitutifs.

Cela libère de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. De plus, également sous l'influence de la température et en utilisant directement le SOFC (constitué d'un matériau céramique poreux à base d'oxyde de zirconium), l'hydrogène est oxydé par l'oxygène de l'air. Après avoir obtenu de l'hydrogène à partir de l'essence, le processus se poursuit selon le scénario décrit ci-dessus, avec une seule différence : la pile à combustible SOFC, contrairement aux appareils fonctionnant à l'hydrogène, est moins sensible aux impuretés du carburant d'origine. La qualité de l’essence ne devrait donc pas affecter les performances de la pile à combustible.

La température de fonctionnement élevée de la SOFC (650 à 800 degrés) constitue un inconvénient majeur ; le processus de préchauffage prend environ 20 minutes. Mais l'excès de chaleur n'est pas un problème, puisqu'il est complètement éliminé par l'air restant et les gaz d'échappement produits par le reformeur et la pile à combustible elle-même. Cela permet au système SOFC d'être intégré dans un véhicule en tant qu'appareil séparé dans un boîtier isolé thermiquement.

La structure modulaire vous permet d'obtenir la tension requise en connectant un ensemble de cellules standards en série. Et, peut-être surtout du point de vue de la mise en œuvre de tels dispositifs, la SOFC ne contient pas d'électrodes à base de platine très coûteuses. C'est le coût élevé de ces éléments qui constitue l'un des freins au développement et à la diffusion de la technologie PEMFC.

Types de piles à combustible

Actuellement, il existe les types de piles à combustible suivants :

• A.F.C.– Pile à combustible alcaline (pile à combustible alcaline) ;
• PAFC– Pile à combustible à acide phosphorique (pile à combustible à acide phosphorique) ;
• PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (pile à combustible dotée d’une membrane échangeuse de protons) ;
• DMFC– Direct Méthanol Fuel Cell (pile à combustible avec dégradation directe du méthanol) ;
• MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (pile à combustible à carbonate fondu) ;
• SOFC– Pile à combustible à oxyde solide (pile à combustible à oxyde solide).

Avantages des piles/piles à combustible

Une pile à combustible est un dispositif qui produit efficacement du courant continu et de la chaleur à partir d'un combustible riche en hydrogène grâce à une réaction électrochimique.

Une pile à combustible est similaire à une batterie dans la mesure où elle produit du courant continu grâce à une réaction chimique. La pile à combustible comprend une anode, une cathode et un électrolyte. Cependant, contrairement aux batteries, les piles à combustible ne peuvent pas stocker d’énergie électrique et ne se déchargent pas et n’ont pas besoin d’électricité pour se recharger. Les piles à combustible peuvent produire de l’électricité en continu tant qu’elles disposent d’un approvisionnement en carburant et en air.

Contrairement à d’autres générateurs d’électricité, tels que les moteurs à combustion interne ou les turbines alimentés au gaz, au charbon, au mazout, etc., les piles à combustible ne brûlent pas de carburant. Cela signifie pas de rotors haute pression bruyants, pas de bruit d'échappement fort, pas de vibrations. Les piles à combustible produisent de l'électricité grâce à une réaction électrochimique silencieuse. Une autre caractéristique des piles à combustible est qu’elles convertissent l’énergie chimique du combustible directement en électricité, chaleur et eau.

Les piles à combustible sont très efficaces et ne produisent pas de grandes quantités de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone, le méthane et l'oxyde nitreux. Les seuls produits d'émission pendant le fonctionnement sont de l'eau sous forme de vapeur et une petite quantité de dioxyde de carbone, qui n'est pas du tout libéré si de l'hydrogène pur est utilisé comme combustible. Les éléments/piles combustibles sont assemblés en assemblages puis en modules fonctionnels individuels.

Histoire du développement des piles à combustible

Dans les années 1950 et 1960, l'un des défis les plus urgents pour les piles à combustible est né du besoin de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) de sources d'énergie pour les missions spatiales de longue durée. La pile à combustible alcaline de la NASA utilise l'hydrogène et l'oxygène comme combustible en combinant les deux éléments chimiques dans une réaction électrochimique. Le résultat est trois sous-produits utiles de la réaction lors du vol spatial : l’électricité pour alimenter le vaisseau spatial, l’eau pour les systèmes de boisson et de refroidissement et la chaleur pour réchauffer les astronautes.

La découverte des piles à combustible remonte au début du XIXe siècle. La première preuve de l’effet des piles à combustible a été obtenue en 1838.

À la fin des années 1930, les travaux ont commencé sur les piles à combustible à électrolyte alcalin et, en 1939, une pile utilisant des électrodes nickelées à haute pression a été construite. Pendant la Seconde Guerre mondiale, des piles à combustible ont été développées pour les sous-marins de la marine britannique et, en 1958, un assemblage combustible composé de piles à combustible alcalines d'un diamètre d'un peu plus de 25 cm a été introduit.

L’intérêt s’est accru dans les années 1950 et 1960, ainsi que dans les années 1980, lorsque le monde industrialisé a connu une pénurie de carburants pétroliers. Au cours de la même période, les pays du monde entier se sont également préoccupés du problème de la pollution atmosphérique et ont réfléchi aux moyens de produire de l’électricité de manière respectueuse de l’environnement. La technologie des piles à combustible connaît actuellement un développement rapide.

Principe de fonctionnement des piles à combustible

Les piles à combustible produisent de l'électricité et de la chaleur grâce à une réaction électrochimique se déroulant à l'aide d'un électrolyte, d'une cathode et d'une anode.

L'anode et la cathode sont séparées par un électrolyte conducteur de protons. Une fois que l'hydrogène s'est écoulé vers l'anode et l'oxygène vers la cathode, une réaction chimique commence, à la suite de laquelle du courant électrique, de la chaleur et de l'eau sont générés.

Au niveau du catalyseur anodique, l'hydrogène moléculaire se dissocie et perd des électrons. Les ions hydrogène (protons) sont conduits à travers l'électrolyte jusqu'à la cathode, tandis que les électrons traversent l'électrolyte et voyagent à travers un circuit électrique externe, créant un courant continu qui peut être utilisé pour alimenter l'équipement. Au niveau du catalyseur cathodique, une molécule d'oxygène se combine avec un électron (qui provient de communications externes) et un proton entrant, et forme de l'eau, qui est le seul produit de réaction (sous forme de vapeur et/ou de liquide).

Ci-dessous la réaction correspondante :

Réaction à l'anode : 2H 2 => 4H+ + 4e -
Réaction à la cathode : O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Réaction générale de l'élément : 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Types et variété d'éléments/piles combustibles

Tout comme il existe différents types de moteurs à combustion interne, il existe différents types de piles à combustible : le choix du bon type de pile à combustible dépend de son application.

Les piles à combustible sont divisées en haute température et basse température. Les piles à combustible à basse température nécessitent de l’hydrogène relativement pur comme combustible. Cela signifie souvent qu'un traitement du carburant est nécessaire pour convertir le carburant principal (tel que le gaz naturel) en hydrogène pur. Ce processus consomme de l'énergie supplémentaire et nécessite un équipement spécial. Les piles à combustible à haute température n'ont pas besoin de cette procédure supplémentaire car elles peuvent « convertir en interne » le carburant à des températures élevées, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'investir dans une infrastructure d'hydrogène.

Piles/piles à combustible à carbonate fondu (MCFC)

Les piles à combustible à électrolyte de carbonate fondu sont des piles à combustible à haute température. La température de fonctionnement élevée permet l'utilisation directe du gaz naturel sans processeur de combustible et du gaz combustible à faible pouvoir calorifique provenant de processus industriels et d'autres sources.

Le fonctionnement du RCFC diffère des autres piles à combustible. Ces cellules utilisent un électrolyte constitué d'un mélange de sels de carbonate fondus. Actuellement, deux types de mélanges sont utilisés : le carbonate de lithium et le carbonate de potassium ou le carbonate de lithium et le carbonate de sodium. Pour faire fondre les sels de carbonate et atteindre un degré élevé de mobilité ionique dans l'électrolyte, les piles à combustible avec électrolyte de carbonate fondu fonctionnent à des températures élevées (650°C). L'efficacité varie entre 60 et 80 %.

Lorsqu'ils sont chauffés à une température de 650°C, les sels deviennent conducteurs pour les ions carbonate (CO 3 2-). Ces ions passent de la cathode à l'anode, où ils se combinent avec l'hydrogène pour former de l'eau, du dioxyde de carbone et des électrons libres. Ces électrons sont renvoyés à la cathode via un circuit électrique externe, générant du courant électrique et de la chaleur comme sous-produit.

Réaction à l'anode : CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Réaction à la cathode : CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Réaction générale de l'élément : H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (cathode) => H 2 O (g) + CO 2 (anode)

Les températures de fonctionnement élevées des piles à combustible à électrolyte à carbonate fondu présentent certains avantages. À haute température, le gaz naturel est reformé en interne, éliminant ainsi le besoin d’un processeur de combustible. De plus, les avantages incluent la possibilité d'utiliser des matériaux de construction standards tels que des tôles d'acier inoxydable et un catalyseur au nickel sur les électrodes. La chaleur résiduelle peut être utilisée pour générer de la vapeur à haute pression à diverses fins industrielles et commerciales.

Des températures de réaction élevées dans l'électrolyte présentent également des avantages. L'utilisation de températures élevées nécessite beaucoup de temps pour atteindre des conditions de fonctionnement optimales, et le système réagit plus lentement aux changements de consommation d'énergie. Ces caractéristiques permettent l'utilisation d'installations de piles à combustible à électrolyte carbonate fondu dans des conditions de puissance constante. Les températures élevées empêchent le monoxyde de carbone d'endommager la pile à combustible.

Les piles à combustible avec électrolyte de carbonate fondu conviennent à une utilisation dans les grandes installations fixes. Des centrales thermiques d'une puissance électrique de sortie de 3,0 MW sont produites commercialement. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 110 MW sont en cours de développement.

Piles/piles à combustible à acide phosphorique (PAFC)

Les piles à combustible à acide phosphorique (orthophosphorique) ont été les premières piles à combustible à usage commercial.

Les piles à combustible à acide phosphorique (orthophosphorique) utilisent un électrolyte à base d'acide orthophosphorique (H 3 PO 4) avec une concentration allant jusqu'à 100 %. La conductivité ionique de l'acide phosphorique est faible à basse température, c'est pourquoi ces piles à combustible sont utilisées à des températures allant jusqu'à 150-220°C.

Le porteur de charge dans les piles à combustible de ce type est l’hydrogène (H+, proton). Un processus similaire se produit dans les piles à combustible dotées d’une membrane échangeuse de protons, dans lesquelles l’hydrogène fourni à l’anode est divisé en protons et en électrons. Les protons voyagent à travers l’électrolyte et se combinent avec l’oxygène de l’air au niveau de la cathode pour former de l’eau. Les électrons sont envoyés à travers un circuit électrique externe, générant ainsi un courant électrique. Vous trouverez ci-dessous les réactions qui génèrent du courant électrique et de la chaleur.

Réaction à l'anode : 2H 2 => 4H + + 4e -
Réaction à la cathode : O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Réaction générale de l'élément : 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

L'efficacité des piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) est supérieure à 40 % lors de la production d'énergie électrique. Avec la production combinée de chaleur et d’électricité, le rendement global est d’environ 85 %. De plus, compte tenu des températures de fonctionnement, la chaleur résiduelle peut être utilisée pour chauffer de l’eau et générer de la vapeur à pression atmosphérique.

La haute performance des centrales thermiques utilisant des piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) dans la production combinée d'énergie thermique et électrique est l'un des avantages de ce type de piles à combustible. Les unités utilisent du monoxyde de carbone avec une concentration d'environ 1,5 %, ce qui élargit considérablement le choix de carburant. De plus, le CO 2 n'altère pas l'électrolyte et le fonctionnement de la pile à combustible ; ce type de pile fonctionne avec du combustible naturel reformé. Une conception simple, un faible degré de volatilité de l’électrolyte et une stabilité accrue sont également des avantages de ce type de pile à combustible.

Des centrales thermiques d'une puissance électrique allant jusqu'à 500 kW sont produites commercialement. Les installations de 11 MW ont passé avec succès les tests appropriés. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 100 MW sont en cours de développement.

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide sont les piles à combustible fonctionnant à des températures de fonctionnement les plus élevées. La température de fonctionnement peut varier de 600°C à 1000°C, permettant l'utilisation de différents types de carburant sans prétraitement particulier. Pour supporter des températures aussi élevées, l’électrolyte utilisé est un mince oxyde métallique solide sur une base céramique, souvent un alliage d’yttrium et de zirconium, conducteur des ions oxygène (O2-).

L'électrolyte solide assure une transition étanche du gaz d'une électrode à l'autre, tandis que les électrolytes liquides sont situés dans un substrat poreux. Le porteur de charge dans les piles à combustible de ce type est l'ion oxygène (O 2-). À la cathode, les molécules d'oxygène de l'air sont séparées en un ion oxygène et quatre électrons. Les ions oxygène traversent l'électrolyte et se combinent avec l'hydrogène, créant quatre électrons libres. Les électrons sont envoyés à travers un circuit électrique externe, générant du courant électrique et de la chaleur perdue.

Réaction à l'anode : 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Réaction à la cathode : O 2 + 4e - => 2O 2-
Réaction générale de l'élément : 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

L'efficacité de l'énergie électrique produite est la plus élevée de toutes les piles à combustible - environ 60 à 70 %. Des températures de fonctionnement élevées permettent une production combinée d'énergie thermique et électrique pour générer de la vapeur à haute pression. La combinaison d'une pile à combustible haute température avec une turbine permet de créer une pile à combustible hybride pour augmenter l'efficacité de la production d'énergie électrique jusqu'à 75 %.

Les piles à combustible à oxyde solide fonctionnent à des températures très élevées (600 °C à 1 000 °C), ce qui nécessite un temps considérable pour atteindre des conditions de fonctionnement optimales et une réponse plus lente du système aux changements de consommation d'énergie. À des températures de fonctionnement aussi élevées, aucun convertisseur n'est nécessaire pour récupérer l'hydrogène du combustible, ce qui permet à la centrale thermique de fonctionner avec des combustibles relativement impurs résultant de la gazéification du charbon ou des gaz résiduaires, etc. La pile à combustible est également excellente pour les applications à forte puissance, notamment les centrales industrielles et les grandes centrales électriques. Des modules d'une puissance électrique de sortie de 100 kW sont produits dans le commerce.

Piles/piles à combustible à oxydation directe du méthanol (DOMFC)

La technologie consistant à utiliser des piles à combustible avec oxydation directe du méthanol connaît une période de développement actif. Il a fait ses preuves dans le domaine de l'alimentation des téléphones mobiles, des ordinateurs portables, ainsi que dans la création de sources d'alimentation portables. C’est à cela que vise l’utilisation future de ces éléments.

La conception des piles à combustible à oxydation directe du méthanol est similaire aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MEPFC), c'est-à-dire Un polymère est utilisé comme électrolyte et un ion hydrogène (proton) est utilisé comme porteur de charge. Cependant, le méthanol liquide (CH 3 OH) s'oxyde en présence d'eau à l'anode, libérant du CO 2, des ions hydrogène et des électrons, qui sont envoyés dans un circuit électrique externe, générant ainsi un courant électrique. Les ions hydrogène traversent l'électrolyte et réagissent avec l'oxygène de l'air et les électrons du circuit externe pour former de l'eau au niveau de l'anode.

Réaction à l'anode : CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Réaction à la cathode : 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Réaction générale de l'élément : CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

L'avantage de ce type de pile à combustible est leur petite taille, due à l'utilisation de combustible liquide, et l'absence de besoin d'utiliser un convertisseur.

Piles/piles à combustible alcalines (ALFC)

Les piles à combustible alcalines sont l’une des cellules les plus efficaces utilisées pour produire de l’électricité, avec un rendement de production d’électricité pouvant atteindre 70 %.

Les piles à combustible alcalines utilisent un électrolyte, une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium, contenue dans une matrice poreuse et stabilisée. La concentration en hydroxyde de potassium peut varier en fonction de la température de fonctionnement de la pile à combustible, qui varie de 65°C à 220°C. Le porteur de charge du SHTE est l'ion hydroxyle (OH -), qui se déplace de la cathode à l'anode, où il réagit avec l'hydrogène, produisant de l'eau et des électrons. L'eau produite à l'anode retourne vers la cathode, y générant à nouveau des ions hydroxyle. À la suite de cette série de réactions qui ont lieu dans la pile à combustible, de l’électricité et, comme sous-produit, de la chaleur sont produites :

Réaction à l'anode : 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Réaction à la cathode : O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Réaction générale du système : 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

L’avantage du SHTE est que ces piles à combustible sont les moins chères à produire, puisque le catalyseur nécessaire sur les électrodes peut être n’importe quelle substance moins chère que celles utilisées comme catalyseurs pour d’autres piles à combustible. Les SFC fonctionnent à des températures relativement basses et comptent parmi les piles à combustible les plus efficaces. De telles caractéristiques peuvent par conséquent contribuer à une production d'énergie plus rapide et à un rendement énergétique élevé.

L'une des caractéristiques du SHTE est sa grande sensibilité au CO 2 , qui peut être contenu dans le carburant ou dans l'air. Le CO 2 réagit avec l'électrolyte, l'empoisonne rapidement et réduit considérablement l'efficacité de la pile à combustible. Par conséquent, l’utilisation du SHTE est limitée aux espaces clos tels que les engins spatiaux et les véhicules sous-marins, ils doivent fonctionner à l’hydrogène et à l’oxygène purs ; De plus, des molécules telles que CO, H 2 O et CH4, qui sont sans danger pour d'autres piles à combustible, et qui servent même de carburant à certaines d'entre elles, sont nocives pour les SHFC.

Piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC)

Dans le cas des piles à combustible à électrolyte polymère, la membrane polymère est constituée de fibres polymères avec des régions d'eau dans lesquelles il y a une conduction des ions d'eau (H2O+ (proton, rouge) qui s'attache à une molécule d'eau). Les molécules d’eau posent un problème en raison de la lenteur des échanges d’ions. Par conséquent, une forte concentration d’eau est requise à la fois dans le carburant et au niveau des électrodes de sortie, limitant la température de fonctionnement à 100°C.

Piles/piles à combustible solide (SFC)

Dans les piles à combustible acide solide, l'électrolyte (CsHSO 4) ne contient pas d'eau. La température de fonctionnement est donc de 100 à 300°C. La rotation des anions oxy SO 4 2- permet aux protons (rouges) de se déplacer comme le montre la figure. En règle générale, une pile à combustible acide solide est un sandwich dans lequel une très fine couche de composé acide solide est prise en sandwich entre deux électrodes étroitement pressées l'une contre l'autre pour assurer un bon contact. Lorsqu'il est chauffé, le composant organique s'évapore et sort par les pores des électrodes, maintenant la capacité de contacts multiples entre le carburant (ou l'oxygène à l'autre extrémité de l'élément), l'électrolyte et les électrodes.

Divers modules de pile à combustible. Batterie à pile à combustible

1. Batterie à pile à combustible
2. Autres équipements fonctionnant à haute température (générateur de vapeur intégré, chambre de combustion, changeur de bilan thermique)
3. Isolation résistante à la chaleur

Module pile à combustible

Analyse comparative des types et variétés de piles à combustible

Les centrales thermiques et électriques municipales innovantes et économes en énergie sont généralement construites sur des piles à combustible à oxyde solide (SOFC), des piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC), des piles à combustible à acide phosphorique (PAFC), des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible alcalines ( ALFC). Présentent généralement les caractéristiques suivantes :

Les plus adaptées devraient être considérées comme les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), qui :

• fonctionner à des températures plus élevées, réduisant ainsi le besoin de métaux précieux coûteux (tels que le platine)
• peut fonctionner avec différents types de carburants hydrocarbures, principalement le gaz naturel
• ont un temps de démarrage plus long et sont donc mieux adaptés à une action à long terme
• démontrer une efficacité de production d’énergie élevée (jusqu’à 70 %)
• En raison des températures de fonctionnement élevées, les unités peuvent être combinées avec des systèmes de transfert de chaleur, ce qui porte l'efficacité globale du système à 85 %
• ont pratiquement zéro émission, fonctionnent silencieusement et ont de faibles exigences de fonctionnement par rapport aux technologies de production d'électricité existantes

Étant donné que les petites centrales thermiques peuvent être connectées à un réseau d’approvisionnement en gaz conventionnel, les piles à combustible ne nécessitent pas de système d’approvisionnement en hydrogène séparé. Lors de l'utilisation de petites centrales thermiques basées sur des piles à combustible à oxyde solide, la chaleur générée peut être intégrée dans des échangeurs de chaleur pour chauffer l'eau et l'air de ventilation, augmentant ainsi l'efficacité globale du système. Cette technologie innovante est la mieux adaptée pour produire efficacement de l’électricité sans avoir besoin d’une infrastructure coûteuse ni d’une intégration d’instruments complexes.

Application des piles/piles à combustible

Application des piles à combustible/piles dans les systèmes de télécommunication

En raison de la prolifération rapide des systèmes de communication sans fil à travers le monde, ainsi que des avantages socio-économiques croissants de la technologie de téléphonie mobile, le besoin d'une alimentation de secours fiable et rentable est devenu critique. Les pertes du réseau électrique tout au long de l’année en raison de mauvaises conditions météorologiques, de catastrophes naturelles ou d’une capacité limitée du réseau constituent un défi permanent pour les gestionnaires de réseau.

Les solutions de secours traditionnelles pour les télécommunications comprennent des batteries (cellules de batterie au plomb régulées par valve) pour une alimentation de secours à court terme et des générateurs diesel et propane pour une alimentation de secours à plus long terme. Les batteries constituent une source d’alimentation de secours relativement bon marché pendant 1 à 2 heures. Cependant, les batteries ne conviennent pas à une alimentation de secours à long terme car elles sont coûteuses à entretenir, deviennent peu fiables après de longues périodes d'utilisation, sont sensibles aux températures et sont dangereuses pour l'environnement après leur élimination. Les générateurs au diesel et au propane peuvent fournir une alimentation de secours à long terme. Cependant, les générateurs peuvent être peu fiables, nécessiter un entretien important et émettre des niveaux élevés de polluants et de gaz à effet de serre.

Pour surmonter les limites des solutions de secours traditionnelles, une technologie innovante de pile à combustible verte a été développée. Les piles à combustible sont fiables, silencieuses, contiennent moins de pièces mobiles qu’un générateur, ont une plage de températures de fonctionnement plus large qu’une batterie : de -40°C à +50°C et, par conséquent, permettent des niveaux d’économies d’énergie extrêmement élevés. De plus, les coûts de durée de vie d’une telle installation sont inférieurs à ceux d’un générateur. La réduction des coûts des piles à combustible résulte d’une seule visite de maintenance par an et d’une productivité de l’usine nettement plus élevée. En fin de compte, la pile à combustible est une solution technologique verte avec un impact environnemental minimal.

Les installations à piles à combustible fournissent une alimentation de secours aux infrastructures de réseaux de communications critiques pour les communications sans fil, permanentes et à large bande dans le système de télécommunications, allant de 250 W à 15 kW, elles offrent de nombreuses fonctionnalités innovantes inégalées :

• FIABILITÉ– peu de pièces mobiles et pas de décharge en mode veille
• ÉCONOMIE D'ÉNERGIE
• SILENCE– faible niveau sonore
• DURABILITÉ– plage de fonctionnement de -40°C à +50°C
• ADAPTABILITÉ– installation en extérieur et en intérieur (conteneur/conteneur de protection)
• HAUTE PUISSANCE– jusqu'à 15 kW
• FAIBLE EXIGENCE D’ENTRETIEN– entretien annuel minimal
• ÉCONOMIQUE- coût total de possession attractif
• ÉNERGIE VERTE– faibles émissions avec un impact minimal sur l’environnement

Le système détecte la tension du bus CC à tout moment et accepte en douceur les charges critiques si la tension du bus CC descend en dessous d'un point de consigne défini par l'utilisateur. Le système fonctionne à l'hydrogène, qui est fourni à la pile à combustible de deux manières : soit à partir d'une source d'hydrogène industrielle, soit à partir d'un carburant liquide composé de méthanol et d'eau, en utilisant un système de reformage intégré.

L'électricité est produite par la pile à combustible sous forme de courant continu. La puissance CC est transférée à un convertisseur, qui convertit la puissance CC non régulée provenant de la pile à combustible en puissance CC régulée de haute qualité pour les charges requises. Les installations de piles à combustible peuvent fournir une alimentation de secours pendant plusieurs jours, car la durée n'est limitée que par la quantité d'hydrogène ou de méthanol/eau disponible.

Les piles à combustible offrent des économies d'énergie supérieures, une fiabilité améliorée du système, des performances plus prévisibles dans une large gamme de climats et une durabilité opérationnelle fiable par rapport aux batteries au plomb-acide à régulation par valve standard de l'industrie. Les coûts de durée de vie sont également inférieurs en raison de besoins de maintenance et de remplacement nettement inférieurs. Les piles à combustible offrent des avantages environnementaux à l'utilisateur final, car les coûts d'élimination et les risques de responsabilité associés aux piles au plomb constituent une préoccupation croissante.

Les performances des batteries électriques peuvent être affectées par un large éventail de facteurs tels que le niveau de charge, la température, le cyclage, la durée de vie et d'autres variables. L'énergie fournie varie en fonction de ces facteurs et n'est pas facile à prévoir. Les performances d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont relativement peu affectées par ces facteurs et peuvent fournir une énergie critique tant que du carburant est disponible. Une prévisibilité accrue constitue un avantage important lors du passage aux piles à combustible pour les applications d’alimentation de secours critiques.

Les piles à combustible génèrent de l'énergie uniquement lorsque du carburant est fourni, comme un générateur à turbine à gaz, mais n'ont aucune pièce mobile dans la zone de production. Par conséquent, contrairement à un générateur, ils ne sont pas sujets à une usure rapide et ne nécessitent pas d'entretien et de lubrification constants.

Le carburant utilisé pour entraîner le convertisseur de carburant à durée prolongée est un mélange de méthanol et d’eau. Le méthanol est un carburant largement disponible et produit dans le commerce qui a actuellement de nombreuses utilisations, notamment les lave-glaces, les bouteilles en plastique, les additifs pour moteurs et les peintures en émulsion, entre autres. Le méthanol est facilement transportable, peut être mélangé à l’eau, présente une bonne biodégradabilité et ne contient pas de soufre. Il a un point de congélation bas (-71°C) et ne se décompose pas lors d'un stockage à long terme.

Application des piles à combustible/piles dans les réseaux de communication

Les réseaux de communications sécurisés nécessitent des solutions d'alimentation de secours fiables, capables de fonctionner pendant des heures ou des jours dans des situations d'urgence si le réseau électrique n'est plus disponible.

Avec peu de pièces mobiles et aucune perte de puissance en veille, la technologie innovante des piles à combustible offre une solution intéressante aux systèmes d'alimentation de secours actuels.

L’argument le plus convaincant en faveur de l’utilisation de la technologie des piles à combustible dans les réseaux de communication est la fiabilité et la sécurité globales accrues. Lors d'événements tels que des pannes de courant, des tremblements de terre, des tempêtes et des ouragans, il est important que les systèmes continuent de fonctionner et bénéficient d'une alimentation de secours fiable sur une période prolongée, quelle que soit la température ou l'âge du système d'alimentation de secours.

La gamme de dispositifs électriques basés sur des piles à combustible est idéale pour prendre en charge les réseaux de communications classifiés. Grâce à leurs principes de conception économes en énergie, ils fournissent une alimentation de secours fiable et respectueuse de l'environnement avec une durée prolongée (jusqu'à plusieurs jours) pour une utilisation dans la plage de puissance de 250 W à 15 kW.

Application des piles à combustible/piles dans les réseaux de données

Une alimentation électrique fiable pour les réseaux de données, tels que les réseaux de données à haut débit et les dorsales à fibre optique, revêt une importance capitale dans le monde entier. Les informations transmises sur ces réseaux contiennent des données critiques pour des institutions telles que des banques, des compagnies aériennes ou des centres médicaux. Une panne de courant dans de tels réseaux présente non seulement un danger pour les informations transmises, mais entraîne également, en règle générale, des pertes financières importantes. Des installations de piles à combustible fiables et innovantes qui fournissent une alimentation électrique de secours offrent la fiabilité nécessaire pour garantir une alimentation électrique ininterrompue.

Les unités à pile à combustible, alimentées par un mélange de carburant liquide composé de méthanol et d'eau, fournissent une alimentation de secours fiable avec une durée prolongée, jusqu'à plusieurs jours. De plus, ces unités ont des besoins de maintenance considérablement réduits par rapport aux générateurs et aux batteries, ne nécessitant qu'une seule visite de maintenance par an.

Caractéristiques typiques des sites d'application pour l'utilisation d'installations de piles à combustible dans des réseaux de données :

• Applications avec des quantités de consommation électrique de 100 W à 15 kW
• Applications avec des exigences d'autonomie de batterie > 4 heures
• Répéteurs dans les systèmes fibre optique (hiérarchie des systèmes numériques synchrones, Internet haut débit, voix sur IP...)
• Nœuds de réseau pour la transmission de données à haut débit
• Nœuds de transmission WiMAX

Les installations de secours à pile à combustible offrent de nombreux avantages pour les infrastructures de réseau de données critiques par rapport aux générateurs à batterie ou diesel traditionnels, permettant une utilisation accrue sur site :

1. La technologie des combustibles liquides résout le problème du placement de l’hydrogène et fournit une alimentation de secours pratiquement illimitée.
2. Grâce à leur fonctionnement silencieux, leur faible poids, leur résistance aux changements de température et leur fonctionnement pratiquement sans vibrations, les piles à combustible peuvent être installées à l'extérieur des bâtiments, dans des bâtiments/conteneurs industriels ou sur les toits.
3. Les préparatifs pour l'utilisation du système sur site sont rapides et économiques, et les coûts d'exploitation sont faibles.
4. Le carburant est biodégradable et constitue une solution respectueuse de l'environnement pour les environnements urbains.

Application des piles à combustible/piles dans les systèmes de sécurité

Les systèmes de sécurité et de communication des bâtiments les plus soigneusement conçus sont aussi fiables que l’alimentation électrique qui les prend en charge. Bien que la plupart des systèmes incluent un certain type de système d'alimentation sans interruption de secours pour les pertes de courant à court terme, ils ne prennent pas en charge les pannes de courant à plus long terme qui peuvent survenir après des catastrophes naturelles ou des attaques terroristes. Cela pourrait constituer un problème crucial pour de nombreuses entreprises et agences gouvernementales.

Des systèmes vitaux tels que les systèmes de surveillance et de contrôle d'accès par vidéosurveillance (lecteurs de carte d'identité, dispositifs de verrouillage des portes, technologie d'identification biométrique, etc.), les systèmes automatiques d'alarme et d'extinction d'incendie, les systèmes de contrôle d'ascenseur et les réseaux de télécommunication, sont menacés en l'absence d'un alimentation alternative fiable et durable.

Les générateurs diesel font beaucoup de bruit, sont difficiles à localiser et présentent des problèmes de fiabilité et de maintenance bien connus. En revanche, une installation de pile à combustible fournissant une alimentation de secours est silencieuse, fiable, ne produit aucune ou très faible émission et peut être facilement installée sur un toit ou à l’extérieur d’un bâtiment. Il ne se décharge pas et ne perd pas de puissance en mode veille. Il garantit le fonctionnement continu des systèmes critiques, même après la cessation des activités de l'installation et la libération du bâtiment.

Les installations innovantes de piles à combustible protègent les investissements coûteux dans les applications critiques. Ils fournissent une alimentation de secours fiable et respectueuse de l'environnement avec une durée prolongée (jusqu'à plusieurs jours) pour une utilisation dans la plage de puissance de 250 W à 15 kW, combinée à de nombreuses fonctionnalités inégalées et, surtout, à des niveaux élevés d'économies d'énergie.

Les installations de secours à pile à combustible offrent de nombreux avantages pour une utilisation dans des applications critiques telles que les systèmes de sécurité et de contrôle des bâtiments par rapport aux générateurs traditionnels alimentés par batterie ou au diesel. La technologie des combustibles liquides résout le problème du placement de l’hydrogène et fournit une alimentation de secours pratiquement illimitée.

Application des piles à combustible/piles au chauffage municipal et à la production d'électricité

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fournissent des centrales thermiques fiables, économes en énergie et sans émissions pour produire de l'électricité et de la chaleur à partir de gaz naturel et de sources de carburant renouvelables largement disponibles. Ces installations innovantes sont utilisées dans une variété de marchés, de la production d'électricité domestique à l'alimentation électrique à distance, en passant par les alimentations auxiliaires.

Application des piles à combustible/piles dans les réseaux de distribution

Les petites centrales thermiques sont conçues pour fonctionner dans un réseau de production d'électricité distribué composé d'un grand nombre de petits groupes électrogènes au lieu d'une centrale électrique centralisée.

La figure ci-dessous montre la perte d'efficacité de la production d'électricité lorsqu'elle est produite dans une centrale thermique et transportée jusqu'aux habitations via les réseaux de transport d'électricité traditionnels actuellement utilisés. Les pertes d’efficacité dans la production centralisée comprennent les pertes provenant de la centrale électrique, du transport basse et haute tension et des pertes de distribution.

La figure montre les résultats de l'intégration de petites centrales thermiques : l'électricité est produite avec un rendement de production allant jusqu'à 60 % au point d'utilisation. De plus, un ménage peut utiliser la chaleur générée par les piles à combustible pour chauffer l’eau et les locaux, ce qui augmente l’efficacité globale du traitement de l’énergie combustible et accroît les économies d’énergie.

Utilisation de piles à combustible pour protéger l'environnement - utilisation du gaz de pétrole associé

L’une des tâches les plus importantes de l’industrie pétrolière est l’utilisation du gaz de pétrole associé. Les méthodes existantes d'utilisation du gaz de pétrole associé présentent de nombreux inconvénients, le principal étant qu'elles ne sont pas économiquement viables. Le gaz de pétrole associé est brûlé, ce qui cause d'énormes dommages à l'environnement et à la santé humaine.

Les centrales thermiques innovantes utilisant des piles à combustible utilisant le gaz de pétrole associé comme combustible ouvrent la voie à une solution radicale et rentable aux problèmes liés à l'utilisation du gaz de pétrole associé.

1. L’un des principaux avantages des installations de piles à combustible est qu’elles peuvent fonctionner de manière fiable et stable avec du gaz de pétrole associé de composition variable. En raison de la réaction chimique sans flamme qui sous-tend le fonctionnement de la pile à combustible, une diminution du pourcentage de méthane, par exemple, entraîne uniquement une diminution correspondante de la puissance délivrée.
2. Flexibilité par rapport à la charge électrique des consommateurs, chute, surtension.
3. Pour l'installation et le raccordement de centrales thermiques sur piles à combustible, leur mise en œuvre ne nécessite pas de coûts d'investissement, car Les unités peuvent être facilement installées sur des sites non préparés à proximité des champs, sont faciles à utiliser, fiables et efficaces.
4. Une automatisation élevée et une télécommande moderne ne nécessitent pas de présence permanente de personnel sur l'installation.
5. Simplicité et perfection technique de la conception : l'absence de pièces mobiles, de frictions et de systèmes de lubrification apporte des avantages économiques importants au fonctionnement des installations de piles à combustible.
6. Consommation d'eau : nulle à des températures ambiantes jusqu'à +30 °C et négligeable à des températures plus élevées.
7. Sortie d'eau : aucune.
8. De plus, les centrales thermiques utilisant des piles à combustible ne font pas de bruit, ne vibrent pas, ne produisent pas d’émissions nocives dans l’atmosphère