Piles à combustible : types, principe de fonctionnement et caractéristiques

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-02 13:54

L'hydrogène est un carburant propre car il ne produit que de l'eau et fournit une énergie propre en utilisant des sources d'énergie renouvelables. Il peut être stocké dans une pile à combustible qui produit de l'électricité à l'aide d'un dispositif de conversion électrochimique. L'hydrogène est la source de l'énergie révolutionnaire du futur, mais son développement est encore très limité. Raisons: énergie difficile à produire, rentabilité et bilan énergétique douteux en raison du caractère énergivore de la conception. Mais cette option énergétique offre des perspectives intéressantes en termes de stockage d'énergie, notamment lorsqu'il s'agit de sources renouvelables.

Pionniers des piles à combustible

Le concept a été efficacement démontré par Humphry Davy au début du XIXe siècle. Cela a été suivi par le travail de pionnier de Christian Friedrich Schonbein en 1838. Au début des années 1960, la NASA, en collaboration avec des partenaires industriels, a commencé à développer des générateursde ce type pour les vols spatiaux habités. Cela a abouti au premier bloc de PEMFC.

Un autre chercheur de GE, Leonard Nidrach, a amélioré le PEMFC de Grubb en utilisant du platine comme catalyseur. Grubb-Niedrach a été développé en collaboration avec la NASA et a été utilisé par le programme spatial Gemini à la fin des années 1960. International Fuel Cells (IFC, plus tard UTC Power) a développé le dispositif de 1,5 kW pour les vols spatiaux Apollo. Ils ont fourni de l'électricité ainsi que de l'eau potable aux astronautes pendant leur mission. IFC a ensuite développé les unités de 12 kW utilisées pour fournir l'alimentation à bord de tous les vols d'engins spatiaux.

L'élément automobile a été inventé par Grulle dans les années 1960. GM a utilisé Union Carbide dans la voiture "Electrovan". Il n'était utilisé que comme voiture de société, mais pouvait parcourir jusqu'à 120 miles avec un réservoir plein et atteindre des vitesses allant jusqu'à 70 miles par heure. Kordesch et Grulke ont expérimenté une moto à hydrogène en 1966. C'était un hybride cellulaire avec une batterie NiCad en tandem qui a atteint un impressionnant 1,18 L/100 km. Cette décision a fait progresser la technologie des vélos électriques et la commercialisation des motos électriques.

En 2007, les sources de carburant ont été commercialisées dans une grande variété de domaines, elles ont commencé à être vendues aux utilisateurs finaux avec des garanties écrites et des capacités de service, c'est-à-dire répondre aux exigences et aux normes d'une économie de marché. Ainsi, un certain nombre de segments de marché ont commencé à se concentrer sur la demande. En particulier, des milliers de puissance auxiliaireLes unités PEMFC et DMFC (APU) ont été commercialisées dans des applications de divertissement: bateaux, jouets et kits de formation.

Horizon en octobre 2009 a présenté le premier système électronique commercial Dynario qui fonctionne avec des cartouches de méthanol. Les piles à combustible Horizon peuvent recharger des téléphones mobiles, des systèmes GPS, des appareils photo ou des lecteurs de musique numériques.

Procédés de production d'hydrogène

Les piles à combustible à hydrogène sont des substances qui contiennent de l'hydrogène comme carburant. Le carburant hydrogène est un carburant à zéro émission qui libère de l'énergie lors de la combustion ou par des réactions électrochimiques. Les piles à combustible et les batteries produisent de l'électricité par une réaction chimique, mais les premières produiront de l'électricité tant qu'il y aura du carburant, ne perdant ainsi jamais de charge.

Les procédés thermiques de production d'hydrogène impliquent généralement le reformage à la vapeur, un procédé à haute température dans lequel la vapeur réagit avec une source d'hydrocarbure pour libérer de l'hydrogène. De nombreux carburants naturels peuvent être reformés pour produire de l'hydrogène.

Aujourd'hui, environ 95 % de l'hydrogène est produit à partir du reformage de gaz. L'eau est divisée en oxygène et en hydrogène par électrolyse, dans un appareil qui fonctionne comme une pile à combustible Horizon zéro en sens inverse.

Processus solaires

Ils utilisent la lumière comme agent pour produire de l'hydrogène. Existeplusieurs procédés basés sur des panneaux solaires:

1. photobiologique;
2. photoélectrochimique;
3. ensoleillé;
4. thermochimique.

Les processus photobiologiques utilisent l'activité photosynthétique naturelle des bactéries et des algues vertes.

Les processus photoélectrochimiques sont des semi-conducteurs spécialisés pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène.

La production solaire d'hydrogène thermochimique utilise l'énergie solaire concentrée pour la réaction de séparation de l'eau avec d'autres espèces telles que les oxydes métalliques.

Les processus biologiques utilisent des microbes tels que des bactéries et des microalgues et peuvent produire de l'hydrogène par des réactions biologiques. Dans la conversion de la biomasse microbienne, les microbes décomposent la matière organique telle que la biomasse, tandis que dans les processus photobiologiques, les microbes utilisent la lumière du soleil comme source.

Composants de génération

Les dispositifs d'éléments sont constitués de plusieurs parties. Chacun a trois composants principaux:

• anode;
• cathode;
• électrolyte conducteur.

Dans le cas des piles à combustible Horizon, où chaque électrode est constituée d'un matériau à grande surface imprégné d'un catalyseur en alliage de platine, le matériau de l'électrolyte est une membrane et sert de conducteur ionique. La production d'électricité est entraînée par deux réactions chimiques primaires. Pour les éléments utilisant pureH_2.

L'hydrogène gazeux à l'anode se divise en protons et en électrons. Les premiers sont transportés à travers la membrane électrolytique et les seconds circulent autour d'elle, générant un courant électrique. Les ions chargés (H + et e -) se combinent avec O_{2 à la cathode, libérant de l'eau et de la chaleur. Les nombreux enjeux environnementaux qui affectent le monde aujourd'hui mobilisent la société pour parvenir à un développement durable et progresser vers la protection de la planète. Ici, dans le contexte, le facteur clé est le remplacement des ressources énergétiques de base actuelles par d'autres qui peuvent pleinement satisfaire les besoins humains.}

Les éléments en question sont un tel dispositif, grâce auquel cet aspect trouve la solution la plus probable, puisqu'il est possible d'obtenir de l'énergie électrique à partir d'un combustible propre à haut rendement et sans émissions de CO_2.

Catalyseurs au platine

Le platine est très actif pour l'oxydation de l'hydrogène et continue d'être le matériau électrocatalyseur le plus courant. L'un des principaux domaines de recherche d'Horizon utilisant des piles à combustible à teneur réduite en platine concerne l'industrie automobile, où des catalyseurs fabriqués à partir de nanoparticules de platine supportées sur du carbone conducteur sont prévus dans un proche avenir. Ces matériaux présentent l'avantage de nanoparticules hautement dispersées, d'une surface électrocatalytique élevée (ESA) et d'une croissance minimale des particules à des températures élevées, même à des niveaux de charge de Pt plus élevés.

Les alliages contenant du Pt sont utiles pour les appareils fonctionnant avec des sources de carburant spécialisées telles que le méthanol ou le reformage (H₂, CO₂, CO et N_{2). Les alliages Pt/Ru ont montré des performances améliorées par rapport aux catalyseurs Pt électrochimiques purs en termes d'oxydation du méthanol et aucune possibilité d'empoisonnement au monoxyde de carbone. Le Pt 3 Co est un autre catalyseur d'intérêt (en particulier pour les cathodes de pile à combustible Horizon) et a montré une meilleure efficacité de la réaction de réduction de l'oxygène ainsi qu'une grande stabilité.}

Catalyseurs Pt/C et Pt 3 Co/C montrant des nanoparticules hautement dispersées sur des substrats de carbone en surface. Plusieurs exigences clés doivent être prises en compte lors du choix d'un électrolyte pour pile à combustible:

1. Conduction protonique élevée.
2. Haute stabilité chimique et thermique.
3. Faible perméabilité aux gaz.

Source d'énergie hydrogène

L'hydrogène est l'élément le plus simple et le plus abondant de l'univers. C'est un composant important de l'eau, du pétrole, du gaz naturel et de tout le monde vivant. Malgré sa simplicité et son abondance, l'hydrogène est rarement présent à l'état gazeux naturel sur Terre. Il est presque toujours combiné avec d'autres éléments. Et il peut être dérivé du pétrole, du gaz naturel, de la biomasse ou en séparant l'eau à l'aide d'énergie solaire ou électrique.

Une fois que l'hydrogène est formé sous forme de H moléculaire₂, l'énergie présente dans la molécule peut être libérée par interactionavec O₂. Cela peut être réalisé avec des moteurs à combustion interne ou des piles à combustible à hydrogène. Dans ceux-ci, l'énergie H_{2 est convertie en courant électrique avec de faibles pertes de puissance. Ainsi, l'hydrogène est un vecteur énergétique pour déplacer, stocker et fournir de l'énergie produite à partir d'autres sources.}

Filtres pour modules de puissance

L'obtention d'éléments énergétiques alternatifs est impossible sans l'utilisation de filtres spéciaux. Les filtres classiques aident au développement de modules de puissance d'éléments dans différents pays du monde grâce à des blocs de haute qualité. Les filtres sont fournis pour préparer le carburant tel que le méthanol pour les applications cellulaires.

Les applications typiques de ces modules d'alimentation incluent l'alimentation électrique dans des endroits éloignés, l'alimentation de secours pour les alimentations critiques, les APU sur les petits véhicules et les applications marines telles que le projet Pa-X-ell qui est un projet de test des cellules sur les navires à passagers.

Boîtiers de filtre en acier inoxydable qui résolvent les problèmes de filtration. Dans ces applications exigeantes, les fabricants de piles à combustible zéro aube spécifient les boîtiers de filtre en acier inoxydable Classic Filters en raison de la flexibilité de la production, des normes de qualité plus élevées, des livraisons rapides et des prix compétitifs.

Plateforme technologique hydrogène

Horizon Fuel Cell Technologies a été fondée à Singapour en 2003 et compte aujourd'hui 5 filiales internationales. La mission du cabinet estfaire une différence dans le domaine des piles à combustible en travaillant à l'échelle mondiale pour parvenir à une commercialisation rapide, réduire les coûts de la technologie et éliminer les barrières séculaires à l'approvisionnement en hydrogène. L'entreprise a commencé avec des produits petits et simples qui nécessitent de faibles quantités d'hydrogène en vue d'applications plus importantes et plus complexes. En suivant des directives strictes et une feuille de route, Horizon est rapidement devenu le plus grand fabricant mondial de cellules en vrac de moins de 1000 W, desservant des clients dans plus de 65 pays avec la plus large sélection de produits commerciaux de l'industrie.

La plateforme technologique Horizon se compose de: PEM - Piles à combustible Horizon Zero Dawn (microcarburant et stacks) et leurs matériaux, fourniture d'hydrogène (électrolyse, reformage et hydrolyse), dispositifs et dispositifs de stockage d'hydrogène.

Horizon a lancé le premier générateur d'hydrogène portable et personnel au monde. La station HydroFill peut générer de l'hydrogène en décomposant l'eau dans un réservoir et en la stockant dans des cartouches HydroStick. Ils contiennent un alliage absorbant d'hydrogène gazeux pour fournir un stockage solide. Les cartouches peuvent ensuite être insérées dans un chargeur MiniPak qui peut gérer de petits éléments de filtre à carburant.

Horizon ou hydrogène domestique

Horizon Technologies lance un système de recharge d'hydrogène et de stockage d'énergie à usage domestique, permettant d'économiser de l'énergie à la maison pour recharger les appareils portables. Horizon s'est distingué en 2006 avec le jouet "H-racer", une petite voiture à hydrogène élue "meilleure invention" de l'année. Offres Horizondécentralisez le stockage d'énergie à domicile avec sa borne de recharge hydrogène Hydrofill, capable de recharger de petites batteries portables et réutilisables. Cette usine d'hydrogène ne nécessite que de l'eau pour fonctionner et produire de l'électricité.

Les travaux peuvent être assurés par le réseau, des panneaux solaires ou une éolienne. De là, l'hydrogène est extrait du réservoir d'eau de la station et stocké sous forme solide dans de petites cellules en alliage métallique. La station Hydrofill, au prix d'environ 500 $, est une solution d'avant-garde pour les téléphones. Où trouver des piles à combustible Hydrofill à ce prix n'est pas difficile pour les utilisateurs, il vous suffit de demander la demande appropriée sur Internet.

Recharge d'hydrogène pour voiture

Comme les voitures électriques à batterie, celles qui fonctionnent à l'hydrogène utilisent également l'électricité pour conduire la voiture. Mais au lieu de stocker cette électricité dans des batteries qui mettent des heures à se recharger, les cellules génèrent de l'énergie à bord de la voiture en faisant réagir de l'hydrogène et de l'oxygène. La réaction a lieu en présence d'un électrolyte - un conducteur non métallique, dans lequel le flux électrique est transporté par le mouvement des ions dans des dispositifs où les piles à combustible Horizon zéro sont équipées de membranes échangeuses de protons. Ils fonctionnent comme suit:

1. L'hydrogène gazeux est fourni à l'anode "-" (A) de la cellule, et l'oxygène est dirigé vers le pôle positif.
2. Sur l'anode, le catalyseur est en platine,élimine les électrons des atomes d'hydrogène, laissant des ions "+" et des électrons libres. Seuls les ions traversent la membrane située entre l'anode et la cathode.
3. Les électrons créent un courant électrique en se déplaçant le long d'un circuit externe. À la cathode, les électrons et les ions hydrogène se combinent avec l'oxygène pour produire de l'eau sortant de la cellule.

Jusqu'à présent, deux facteurs ont entravé la production à grande échelle de véhicules à hydrogène: le coût et la production d'hydrogène. Jusqu'à récemment, le catalyseur au platine, qui scinde l'hydrogène en un ion et un électron, était d'un coût prohibitif.

Il y a quelques années, les piles à hydrogène coûtaient environ 1 000 $ pour chaque kilowatt d'électricité, soit environ 100 000 $ pour une voiture. Diverses études ont été menées pour réduire le coût du projet, notamment le remplacement du catalyseur au platine par un alliage platine-nickel 90 fois plus efficace. L'année dernière, le département américain de l'énergie a signalé que le coût du système était tombé à 61 $ le kilowatt, ce qui n'est toujours pas compétitif dans l'industrie automobile.

Tomodensitométrie

Cette méthode de contrôle non destructif est utilisée pour étudier la structure d'un élément à deux couches. Autres méthodes couramment utilisées pour étudier la structure:

• porosimétrie par intrusion de mercure;
• microscopie à force atomique;
• profilométrie optique.

Les résultats montrent que la distribution de la porosité a une base solide pour calculer la conductivité thermique et électrique, la perméabilité etla diffusion. La mesure de la porosité des éléments est très difficile en raison de leur géométrie fine, compressible et inhomogène. Le résultat montre que la porosité diminue avec la compression GDL.

La structure poreuse a un impact significatif sur le transfert de masse dans l'électrode. L'expérience a été réalisée à différentes pressions de pressage à chaud, allant de 0,5 à 10 MPa. Les performances dépendent principalement du platine métal dont le coût est très élevé. La diffusion peut être augmentée par l'utilisation de liants chimiques. De plus, les changements de température affectent la durée de vie et les performances moyennes de l'élément. Le taux de dégradation des PEMFC à haute température est initialement faible puis augmente rapidement. Ceci est utilisé pour déterminer la formation d'eau.

Problèmes de commercialisation

Pour être compétitifs, les coûts des piles à combustible doivent être divisés par deux et la durée de vie des batteries doit être prolongée de la même manière. Aujourd'hui, cependant, les coûts d'exploitation sont encore beaucoup plus élevés, car les coûts de production d'hydrogène se situent entre 2,5 $ et 3 $, et l'hydrogène fourni ne coûtera probablement pas moins de 4 $/kg. Pour que la cellule puisse rivaliser efficacement avec les batteries, elle doit avoir un temps de charge court et minimiser le processus de remplacement de la batterie.

Actuellement, la technologie des piles à combustible polymères coûtera 49 USD/kW lorsqu'elle sera produite en série (au moins 500 000 unités par an). Cependant, pour concurrencer les voiturescombustion interne, les piles à combustible automobiles devraient atteindre environ 36 $/kWh. Des économies peuvent être réalisées en réduisant les coûts des matériaux (en particulier, l'utilisation du platine), en augmentant la densité de puissance, en réduisant la complexité du système et en augmentant la durabilité. La commercialisation de la technologie à grande échelle pose plusieurs défis, notamment le dépassement d'un certain nombre d'obstacles techniques.

Défis techniques du futur

Le coût d'une pile dépend du matériau, de la technique et des techniques de fabrication. Le choix du matériau dépend non seulement de l'adéquation du matériau à la fonction, mais également de la maniabilité. Tâches clés des éléments:

1. Réduire la charge de l'électrocatalyseur et augmenter l'activité.
2. Améliore la durabilité et réduit la dégradation.
3. Optimisation de la conception des électrodes.
4. Améliore la tolérance aux impuretés à l'anode.
5. Sélection des matériaux pour les composants. Il est basé principalement sur le coût sans sacrifier les performances.
6. Tolérance aux pannes du système.
7. La performance de l'élément dépend principalement de la résistance de la membrane.

Les principaux paramètres GDL qui affectent les performances des cellules sont la perméabilité des réactifs, la conductivité électrique, la conductivité thermique et le support mécanique. L'épaisseur de GDL est un facteur important. Une membrane plus épaisse offre une meilleure protection, une résistance mécanique, des chemins de diffusion plus longs et des niveaux de résistance thermique et électrique supérieurs.

Tendances progressistes

Parmi les différents types d'éléments, PEMFC adapte davantage d'applications mobiles (voitures, ordinateurs portables, téléphones portables, etc.) et intéresse donc de plus en plus un large éventail de fabricants. En fait, PEMFC présente de nombreux avantages tels qu'une faible température de fonctionnement, une stabilité de densité de courant élevée, un poids léger, une compacité, un faible potentiel de coût et de volume, une longue durée de vie, des démarrages rapides et une aptitude à un fonctionnement intermittent.

La technologie PEMFC est bien adaptée à une variété de tailles et est également utilisée avec une variété de carburants lorsqu'elle est correctement traitée pour produire de l'hydrogène. En tant que tel, il trouve une utilisation à partir de la petite échelle des sous-watts jusqu'à l'échelle des mégawatts. 88 % des expéditions totales en 2016-2018 étaient des PEMFC.