Pile à combustible DIY à la maison. Réservoirs de carburant

L’électronique mobile devient de plus en plus accessible et répandue chaque année, voire chaque mois. Vous trouverez ici des ordinateurs portables, des PDA, des appareils photo numériques, des téléphones portables et une foule d'autres appareils utiles et moins utiles. Et tous ces appareils acquièrent constamment de nouvelles fonctionnalités, des processeurs plus puissants, des écrans couleur plus grands, des communications sans fil, tout en diminuant en taille. Mais contrairement aux technologies des semi-conducteurs, les technologies de l’énergie pour toute cette ménagerie mobile ne progressent pas à pas de géant.

Les batteries conventionnelles et les batteries rechargeables deviennent clairement insuffisantes pour alimenter les dernières avancées de l’industrie électronique pendant une période de temps significative. Et sans batteries fiables et volumineuses, tout l’intérêt de la mobilité et du sans fil est perdu. L'industrie informatique travaille donc de plus en plus activement sur le problème. sources d'énergie alternatives. Et la direction la plus prometteuse ici aujourd'hui est réservoirs de carburant.

Le principe de fonctionnement de base des piles à combustible a été découvert par le scientifique britannique Sir William Grove en 1839. Il est connu comme le père de la « pile à combustible ». William Grove produisait de l'électricité en modifiant pour extraire de l'hydrogène et de l'oxygène. Après avoir débranché la batterie de la cellule électrolytique, Grove fut surpris de constater que les électrodes commençaient à absorber le gaz libéré et à générer du courant. Ouvrir un processus combustion électrochimique "à froid" de l'hydrogène est devenu un événement important dans l'industrie de l'énergie, et par la suite des électrochimistes aussi célèbres qu'Ostwald et Nernst ont joué grand rôle dans le développement des fondements théoriques et de la mise en œuvre pratique des piles à combustible et leur a prédit un grand avenir.

Moi-même terme « pile à combustible » est apparu plus tard - il a été proposé en 1889 par Ludwig Mond et Charles Langer, qui tentaient de créer un dispositif permettant de produire de l'électricité à partir de l'air et du gaz de houille.

Lors d'une combustion normale dans l'oxygène, l'oxydation du combustible organique se produit et l'énergie chimique du combustible est convertie de manière inefficace en énergie thermique. Mais il s'est avéré possible de réaliser la réaction d'oxydation, par exemple, de l'hydrogène avec l'oxygène, dans un environnement électrolytique et, en présence d'électrodes, d'obtenir un courant électrique. Par exemple, en fournissant de l'hydrogène à une électrode située en milieu alcalin, on obtient des électrons :

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

qui, en passant par le circuit extérieur, arrivent à l'électrode opposée, vers laquelle circule l'oxygène et où a lieu la réaction : 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

On peut voir que la réaction résultante 2H2 + O2 → H2O est la même que lors d'une combustion conventionnelle, mais dans une pile à combustible, ou autrement - dans générateur électrochimique, le résultat est un courant électrique avec une grande efficacité et partiellement chauffant. 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 combustible, et de l'air, du peroxyde d'hydrogène, du chlore, du brome, de l'acide nitrique, etc. comme agents oxydants.

Le développement des piles à combustible s’est poursuivi avec vigueur tant à l’étranger qu’en Russie, puis en URSS. Parmi les scientifiques qui ont grandement contribué à l'étude des piles à combustible, on note V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. Au milieu du siècle dernier, une nouvelle attaque contre les problèmes des piles à combustible a commencé. Cela est dû en partie à l’émergence de nouvelles idées, matériaux et technologies résultant de la recherche en matière de défense.

L'un des scientifiques qui ont franchi une étape majeure dans le développement des piles à combustible était P. M. Spiridonov. Éléments hydrogène-oxygène de Spiridonov donnait une densité de courant de 30 mA/cm2, ce qui était considéré à l'époque comme une grande réussite. Dans les années quarante, O. Davtyan crée une installation de combustion électrochimique du gaz générateur obtenu par gazéification du charbon. Pour chaque mètre cube de volume d'élément, Davtyan a reçu 5 kW de puissance.

C'était première pile à combustible à électrolyte solide. Il avait un rendement élevé, mais avec le temps, l'électrolyte est devenu inutilisable et a dû être changé. Par la suite, Davtyan a créé à la fin des années cinquante installation puissante conduire le tracteur. Dans les mêmes années, l'ingénieur anglais T. Bacon conçoit et construit une batterie de piles à combustible d'une puissance totale de 6 kW et d'un rendement de 80 %, fonctionnant à l'hydrogène pur et à l'oxygène, mais le rapport puissance/poids de la la batterie s'est avérée trop petite - de tels éléments n'étaient pas adaptés à application pratique et trop cher.

Au cours des années suivantes, le temps des solitaires est révolu. Les créateurs d’engins spatiaux se sont intéressés aux piles à combustible. Depuis le milieu des années 60, des millions de dollars ont été investis dans la recherche sur les 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 vaisseau spatial Gemini 5, et plus tard le vaisseau spatial 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. Au cours de ces années, de nouveaux matériaux étaient déjà apparus - électrolytes polymères solides à base de membranes échangeuses d'ions, nouveaux types de catalyseurs, électrodes. Néanmoins, la densité de courant de fonctionnement était faible, de l'ordre de 100 à 200 mA/cm2, et la teneur en platine des électrodes était de plusieurs g/cm2. Il y avait de nombreux problèmes liés à la durabilité, à la stabilité et à la sécurité.

La prochaine étape du développement rapide des piles à combustible a commencé dans les années 90. siècle dernier et se poursuit encore aujourd'hui. Elle est causée par le besoin de nouvelles sources d'énergie efficaces en relation, d'une part, avec le problème environnemental mondial de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre provenant de la combustion de combustibles fossiles et, d'autre part, avec l'épuisement des réserves de ces combustibles. . 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. Le principal problème est simplement de trouver une solution efficace et moyen peu coûteux obtenir de l'hydrogène.

Des milliards de dollars d'investissements financiers dans le développement de piles à combustible et de générateurs d'hydrogène devraient conduire à une rupture technologique et faire de leur utilisation au quotidien une réalité : dans les piles pour téléphones portables, dans les voitures, dans les centrales électriques. Déjà, des géants de l'automobile comme Ballard, Honda, Daimler Chrysler et General Motors démontrent voitures et des bus alimentés par des piles à combustible de 50 kW. Un certain nombre d'entreprises ont développé centrales électriques de démonstration utilisant des piles à combustible à électrolyte à oxyde solide d'une puissance allant jusqu'à 500 kW. Mais malgré une avancée significative dans l’amélioration des caractéristiques des piles à combustible, de nombreux problèmes liés à leur coût, leur fiabilité et leur sécurité doivent encore être résolus.

Dans une pile à combustible, contrairement aux piles et aux accumulateurs, le combustible et le comburant lui sont fournis de l'extérieur. La pile à combustible sert uniquement d’intermédiaire dans la réaction et, dans des conditions idéales, pourrait fonctionner pratiquement indéfiniment. La beauté de cette technologie réside dans le fait que la cellule brûle du carburant et convertit directement l’énergie libérée en électricité. Lorsque le combustible est brûlé directement, il est oxydé par l’oxygène et la chaleur dégagée est utilisée pour effectuer un travail utile.

Dans une pile à combustible, comme dans les batteries, les réactions d’oxydation du carburant et de réduction de l’oxygène sont spatialement séparées, et le processus de « combustion » ne se produit que si la pile fournit du courant à la charge. C'est juste comme générateur électrique diesel, uniquement sans diesel ni générateur. Et également sans fumée, sans bruit, sans surchauffe et avec une efficacité bien supérieure. Cette dernière s'explique par le fait que, d'une part, il n'y a pas d'intermédiaires dispositifs mécaniques et, deuxièmement, la pile à combustible n'est pas un moteur thermique et, par conséquent, n'obéit pas à la loi de Carnot (c'est-à-dire que son efficacité n'est pas déterminée par les différences de température).

L'oxygène est utilisé comme agent oxydant dans les piles à combustible. De plus, comme il y a suffisamment d’oxygène dans l’air, il n’y a pas lieu de s’inquiéter de l’apport d’un agent oxydant. Quant au carburant, c'est l'hydrogène. Ainsi, la réaction a lieu dans la pile à combustible :

2H2 + O2 → 2H2O + électricité + chaleur.

Le résultat est de l’énergie utile et de la vapeur d’eau. Le plus simple dans sa structure est pile à combustible à membrane échangeuse de protons(voir Figure 1). Son fonctionnement est le suivant : l'hydrogène entrant dans l'élément est décomposé sous l'action d'un catalyseur en électrons et en ions hydrogène chargés positivement H+. Ensuite, une membrane spéciale entre en jeu, jouant le rôle d'électrolyte dans une batterie conventionnelle. En raison de son composition chimique il laisse passer les protons mais retient les électrons. Ainsi, les électrons accumulés sur l'anode créent une charge négative en excès et les ions hydrogène créent une charge positive sur la cathode (la tension aux bornes de l'élément est d'environ 1 V).

Pour créer une puissance élevée, une pile à combustible est assemblée à partir de plusieurs cellules. Si vous connectez un élément à une charge, des électrons le traverseront jusqu'à la cathode, créant un courant et complétant le processus d'oxydation de l'hydrogène avec de l'oxygène. Les microparticules de platine déposées sur la fibre de carbone sont généralement utilisées comme catalyseur dans de telles piles à combustible. De par sa structure, un tel catalyseur laisse bien passer le gaz et l'électricité. La membrane est généralement fabriquée à partir du polymère soufré Nafion. L'épaisseur de la membrane est de quelques dixièmes de millimètre. Bien entendu, pendant la réaction, de la chaleur est également libérée, mais pas autant, donc température de fonctionnement maintenue entre 40 et 80°C.

Fig. 1. Principe de fonctionnement d'une pile à combustible

Il existe d'autres types de piles à combustible, qui diffèrent principalement par le type d'électrolyte utilisé. Presque tous nécessitent de l’hydrogène comme carburant, la question logique se pose donc : où l’obtenir. Bien entendu, il serait possible d'utiliser de l'hydrogène comprimé provenant de bouteilles, mais des problèmes surviennent immédiatement liés au transport et au stockage de ce gaz hautement inflammable sous haute pression. Bien entendu, l’hydrogène peut être utilisé sous forme liée, comme dans les batteries à hydrure métallique. Mais la tâche de l’extraire et de le transporter demeure, car l’infrastructure pour le ravitaillement en hydrogène n’existe pas.

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 déjà des mesures spéciales appareil supplémentaire- convertisseur de carburant, avec haute température(pour le méthanol, cette température se situera autour de 240°C) convertissant les alcools en un mélange de H2 gazeux et de CO2. Mais dans ce cas, il est déjà plus difficile de penser à la portabilité - de tels appareils sont bons à utiliser comme fixes ou, mais pour un équipement mobile compact, vous avez besoin de quelque chose de moins encombrant.

Et nous arrivons ici exactement à l’appareil que presque tout le monde développe avec une force terrible. les plus grands producteursélectronique - pile à combustible au méthanol(Figure 2).

Fig.2. Principe de fonctionnement d'une pile à combustible au méthanol

La différence fondamentale entre les piles à combustible à hydrogène et à méthanol réside dans le catalyseur utilisé. Le catalyseur d’une pile à combustible au méthanol permet d’éliminer les protons directement de la molécule d’alcool. Ainsi, le problème du carburant est résolu : l'alcool méthylique est produit en masse pour l'industrie chimique, il est facile à stocker et à transporter, et pour charger une pile à combustible au méthanol, il suffit simplement de remplacer la cartouche de carburant. Certes, il existe un inconvénient important : le méthanol est toxique. De plus, l’efficacité d’une pile à combustible au méthanol est nettement inférieure à celle d’une pile à hydrogène.

Riz. 3. Pile à combustible au méthanol

L'option la plus tentante consiste à utiliser l'alcool éthylique comme carburant, car la production et la distribution de boissons alcoolisées de toute composition et de toute concentration sont bien établies dans le monde entier. Cependant, l’efficacité des piles à combustible à l’éthanol est malheureusement encore inférieure à celle des piles à combustible au méthanol.

Comme cela a été noté au cours des nombreuses années de développement dans le domaine des piles à combustible, différents types de piles à combustible ont été construits. Les piles à combustible sont classées par électrolyte et type de combustible.

1. Électrolyte hydrogène-oxygène polymère solide.

2. Piles à combustible au méthanol polymère solide.

3. Piles à électrolyte alcaline.

4. Piles à combustible à acide phosphorique.

5. Éléments combustibles à base de carbonates fondus.

6. Piles à combustible à oxyde solide.

Idéalement, l'efficacité des piles à combustible est très élevée, mais conditions réelles Il existe des pertes associées aux processus hors équilibre, telles que : les pertes ohmiques dues à la conductivité spécifique de l'électrolyte et des électrodes, la polarisation d'activation et de concentration, les pertes de diffusion. Ainsi, une partie de l’énergie générée par les piles à combustible est transformée en chaleur. Les efforts des spécialistes visent à réduire ces pertes.

La principale source de pertes ohmiques, ainsi que la raison du prix élevé des piles à combustible, sont les membranes échangeuses de cations sulfoniques perfluorées. La recherche de polymères conducteurs de protons alternatifs et moins chers est actuellement en cours. La conductivité de ces membranes (électrolytes solides) n'atteignant une valeur acceptable (10 Ohm/cm) qu'en présence d'eau, les gaz fournis à la pile à combustible doivent en outre être humidifiés dans appareil spécial, ce qui augmente également le coût du système. Les électrodes catalytiques à diffusion de gaz utilisent principalement du platine et certains autres métaux nobles, et jusqu'à présent aucun remplacement n'a été trouvé pour eux. Bien que la teneur en platine des piles à combustible soit de plusieurs mg/cm2, pour les grosses batteries, sa quantité atteint des dizaines de grammes.

Lors de la conception de piles à combustible grande attention sont données au système d'évacuation de la chaleur, car à des densités de courant élevées (jusqu'à 1A/cm2), un auto-échauffement du système se produit. Pour le refroidissement, on utilise de l'eau circulant dans la pile à combustible à travers des canaux spéciaux et à faible puissance - du soufflage d'air.

Ainsi, un système de générateur électrochimique moderne, en plus de la batterie à pile à combustible elle-même, est « envahi » par de nombreux dispositifs auxiliaires, tels que : des pompes, un compresseur pour fournir de l'air, injecter de l'hydrogène, un humidificateur à gaz, une unité de refroidissement, un gaz un système de surveillance des fuites, un convertisseur DC-AC, un processeur de contrôle, etc. Tout cela conduit au fait que le coût d'un système de pile à combustible en 2004-2005 était de 2 à 3 000 $/kW. Selon les experts, les piles à combustible seront disponibles pour une utilisation dans les transports et les centrales électriques stationnaires au prix de 50 à 100 dollars/kW.

Pour introduire les piles à combustible dans la vie quotidienne, ainsi que des composants moins chers, il faut s'attendre à de nouveaux des idées originales et les approches. De grands espoirs reposent notamment sur l’utilisation des nanomatériaux et des nanotechnologies. Par exemple, plusieurs entreprises ont récemment annoncé la création de catalyseurs ultra-efficaces, notamment pour les électrodes à oxygène, à base d'amas de nanoparticules issues de divers métaux. En outre, des modèles de piles à combustible sans membrane ont été signalés dans lesquels du combustible liquide (tel que le méthanol) est introduit dans la pile à combustible avec un comburant. Le concept en développement de biopiles fonctionnant dans des eaux polluées et consommant de l'oxygène dissous dans l'air comme oxydant et des impuretés organiques comme carburant est également intéressant.

Selon les experts, les piles à combustible entreront sur le marché de masse dans les années à venir. Et en effet, les développeurs gagnent les uns après les autres problèmes techniques, rendre compte des réussites et présenter des prototypes de piles à combustible. Par exemple, Toshiba a présenté un prototype fini de pile à combustible au méthanol. Il a une taille de 22x56x4,5 mm et 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. Toshiba a lancé une pile à combustible commerciale pour alimenter les téléphones mobiles. Encore une fois, le même Toshiba a présenté une cellule pour alimenter des ordinateurs portables mesurant 275 x 75 x 40 mm, permettant à l'ordinateur de fonctionner pendant 5 heures avec une seule charge.

Une autre société japonaise, Fujitsu, n'est pas loin derrière Toshiba. En 2004, elle a également introduit un élément qui fonctionne dans une solution aqueuse à 30 % de méthanol. Cette pile à combustible fonctionnait avec une charge de 300 ml pendant 10 heures et produisait une puissance de 15 W.

Casio développe une pile à combustible dans laquelle le méthanol est d'abord converti en un mélange de gaz H2 et CO2 dans un convertisseur de carburant miniature, puis introduit dans la pile à combustible. Lors de la démonstration, le prototype Casio a alimenté un ordinateur portable pendant 20 heures.

Samsung s'est également imposé dans le domaine des piles à combustible : en 2004, il a présenté son prototype de 12 W conçu pour alimenter un ordinateur portable. De manière générale, Samsung prévoit d'utiliser des piles à combustible principalement dans les smartphones de quatrième génération.

je dois dire que Entreprises japonaises En général, nous avons abordé le développement des piles à combustible avec beaucoup de prudence. En 2003, des sociétés telles que Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony et Toshiba ont uni leurs forces pour développer une norme unique sur les piles à combustible pour les ordinateurs portables, téléphones portables, PDA et autres appareils électroniques. Les entreprises américaines, également nombreuses sur ce marché, travaillent pour la plupart sous contrat avec l'armée et développent des piles à combustible pour l'électrification des soldats américains.

Les Allemands ne sont pas loin derrière : la société Smart Fuel Cell vend des piles à combustible pour alimenter un bureau mobile. L'appareil s'appelle Smart Fuel Cell C25, a des dimensions de 150 x 112 x 65 mm et peut fournir jusqu'à 140 wattheures par remplissage. C'est suffisant pour alimenter l'ordinateur portable pendant environ 7 heures. La cartouche peut ensuite être remplacée et vous pouvez continuer à travailler. La taille de la cartouche de méthanol est de 99x63x27 mm et elle pèse 150g. Le système lui-même pèse 1,1 kg, il ne peut donc pas être qualifié de complètement portable, mais il s'agit toujours d'un appareil complètement complet et pratique. L'entreprise développe également un module combustible pour alimenter les caméras vidéo professionnelles.

En général, les piles à combustible ont presque fait leur entrée sur le marché de l'électronique mobile. Les fabricants doivent encore résoudre les derniers problèmes techniques avant de lancer la production en série.

Il faut d’abord résoudre la question de la miniaturisation des piles à combustible. En effet, plus la pile à combustible est petite, moins elle peut produire d'énergie. C'est pourquoi de nouveaux catalyseurs et électrodes sont constamment développés pour permettre d'optimiser surface de travail. C'est là que c'est utile derniers développements dans le domaine des nanotechnologies et des nanomatériaux (par exemple les nanotubes). Là encore, pour miniaturiser la tuyauterie des éléments (pompes à carburant et à eau, systèmes de refroidissement et de conversion de carburant), les réalisations de la microélectromécanique sont de plus en plus utilisées.

Deuxième problème important Ce qu’il faut aborder, c’est le prix. Après tout, le platine, très coûteux, est utilisé comme catalyseur dans la plupart des piles à combustible. Là encore, certains fabricants tentent de tirer le meilleur parti des technologies du silicium déjà bien établies.

Quant aux autres domaines d'utilisation des piles à combustible, celles-ci y sont déjà bien implantées, même si elles ne sont pas encore devenues courantes ni dans le secteur de l'énergie ni dans celui des transports. De nombreux constructeurs automobiles ont déjà présenté leurs concept-cars alimentés par des piles à combustible. Des bus à pile à combustible circulent dans plusieurs villes du monde. Canadian Ballard Power Systems produit une gamme de générateurs stationnaires d'une capacité de 1 à 250 kW. Dans le même temps, les générateurs kilowatts sont conçus pour alimenter immédiatement un appartement en électricité, chauffage et eau chaude.

Les États-Unis ont plusieurs initiatives visant à développer des piles à combustible, des infrastructures et des technologies pour rendre les véhicules à pile à combustible pratiques et économes en carburant d'ici 2020. Plus d'un milliard de dollars ont été alloués à ces fins.

Les piles à combustible produisent de l'électricité de manière silencieuse et efficace, sans pollution environnement. Contrairement aux sources d’énergie qui utilisent des combustibles fossiles, les sous-produits des piles à combustible sont la chaleur et l’eau. Comment ça fonctionne?

Dans cet article, nous examinerons brièvement chacune des technologies de carburant existantes aujourd'hui, parlerons de la conception et du fonctionnement des piles à combustible et les comparerons avec d'autres formes de production d'énergie. Nous discuterons également de certains des obstacles auxquels les chercheurs sont confrontés pour rendre les piles à combustible pratiques et abordables pour les consommateurs.

Les piles à combustible sont dispositifs de conversion d'énergie électrochimique. Une pile à combustible convertit les produits chimiques, l’hydrogène et l’oxygène, en eau, générant ainsi de l’électricité.

Un autre appareil électrochimique que nous connaissons tous très bien est la batterie. La batterie a tout ce dont vous avez besoin éléments chimiquesà l'intérieur de lui-même et transforme ces substances en électricité. Cela signifie que la batterie finit par mourir et que vous la jetez ou la rechargez.

Dans une pile à combustible, des produits chimiques y sont continuellement introduits afin qu’elle ne « meure » jamais. L'électricité sera générée tant que des produits chimiques pénétreront dans l'élément. La plupart des piles à combustible utilisées aujourd’hui utilisent de l’hydrogène et de l’oxygène.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans notre Galaxie. Cependant, l’hydrogène n’existe pratiquement pas sur Terre sous sa forme élémentaire. Les ingénieurs et les scientifiques doivent extraire l’hydrogène pur des composés hydrogènes, notamment des combustibles fossiles ou de l’eau. Pour extraire l’hydrogène de ces composés, vous devez dépenser de l’énergie sous forme de chaleur ou d’électricité.

Invention des piles à combustible

Sir William Grove a inventé la première pile à combustible en 1839. Grove savait que l'eau pouvait être séparée en hydrogène et en oxygène en passant courant électriqueà travers lui (un processus appelé électrolyse). Il a suggéré que dans ordre inverse l'électricité et l'eau pourraient être obtenues. Il a créé une pile à combustible primitive et l'a appelée batterie galvanique à gaz. Après avoir expérimenté sa nouvelle invention, Grove a prouvé son hypothèse. Cinquante ans plus tard, les scientifiques Ludwig Mond et Charles Langer ont inventé le terme réservoirs de carburant en essayant de construire un modèle pratique de production d’électricité.

La pile à combustible concurrencera de nombreux autres dispositifs de conversion d'énergie, notamment les turbines à gaz des centrales électriques urbaines, les moteurs combustion interne dans les voitures, ainsi que toutes sortes de batteries. Les moteurs à combustion interne, comme les turbines à gaz, brûlent différentes sortes carburants et utiliser la pression créée par la dilatation des gaz pour effectuer des travaux mécaniques. Les batteries convertissent l'énergie chimique en énergie électrique lorsque cela est nécessaire. Les piles à combustible doivent accomplir ces tâches plus efficacement.

La pile à combustible fournit une tension continue ( D.C.), qui peut être utilisé pour alimenter des moteurs électriques, des éclairages et d’autres appareils électriques.

Il y a plusieurs divers types piles à combustible, chacune utilisant des procédés chimiques différents. Les piles à combustible sont généralement classées selon leur température de fonctionnement Et taperélectrolyte, qu'ils utilisent. Certains types de piles à combustible conviennent parfaitement à une utilisation dans les centrales électriques stationnaires. D'autres peuvent être utiles pour les petits appareils portables ou pour alimenter les voitures. Les principaux types de piles à combustible comprennent :

Pile à combustible à membrane échangeuse de polymère (PEMFC)

PEMFC est considéré comme le candidat le plus probable pour les applications de transport. Le PEMFC a à la fois une puissance élevée et une température de fonctionnement relativement basse (allant de 60 à 80 degrés Celsius). Les basses températures de fonctionnement signifient que les piles à combustible peuvent se réchauffer rapidement pour commencer à produire de l'électricité.

Pile à combustible à oxyde solide (SOFC)

Ces piles à combustible conviennent particulièrement aux grands générateurs d’énergie stationnaires susceptibles d’alimenter des usines ou des villes. Ce type de pile à combustible fonctionne à des températures très élevées (700 à 1 000 degrés Celsius). Les températures élevées posent un problème de fiabilité car certaines piles à combustible peuvent tomber en panne après quelques cycles marche-arrêt. Cependant, les piles à combustible à oxyde solide sont très stables en fonctionnement continu. En fait, les SOFC ont démontré la durée de vie la plus longue de toutes les piles à combustible dans certaines conditions. La température élevée présente également l’avantage que la vapeur produite par les piles à combustible peut être envoyée vers des turbines et générer davantage d’électricité. Ce processus est appelé cogénération de chaleur et d'électricité et améliore l'efficacité globale du système.

Pile à combustible alcaline (AFC)

Il s’agit de l’un des modèles de piles à combustible les plus anciens, utilisé depuis les années 1960. Les AFC sont très sensibles à la contamination car ils nécessitent de l’hydrogène et de l’oxygène purs. De plus, elles sont très chères, il est donc peu probable que ce type de pile à combustible soit produit en série.

Pile à combustible à carbonate fondu (MCFC)

Comme les SOFC, ces piles à combustible conviennent également mieux aux grandes centrales électriques et générateurs stationnaires. Ils fonctionnent à 600 degrés Celsius et peuvent donc générer de la vapeur, qui à son tour peut être utilisée pour générer encore plus d’énergie. Leur température de fonctionnement est inférieure à celle des piles à combustible à oxyde solide, ce qui signifie qu'elles ne nécessitent pas de matériaux aussi résistants à la chaleur. Cela les rend un peu moins chers.

Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC)

Pile à combustible à acide phosphorique a un potentiel d’utilisation dans les petits systèmes électriques fixes. Elle fonctionne à une température plus élevée qu’une pile à combustible à membrane échangeuse de polymère, de sorte qu’elle prend plus de temps à se réchauffer, ce qui la rend impropre à une utilisation dans les automobiles.

Pile à combustible au méthanol direct (DMFC)

Les piles à combustible au méthanol sont comparables aux PEMFC en termes de température de fonctionnement, mais ne sont pas aussi efficaces. De plus, les DMFC nécessitent une quantité assez importante de platine comme catalyseur, ce qui rend ces piles à combustible coûteuses.

Pile à combustible à membrane échangeuse de polymère

La pile à combustible à membrane échangeuse de polymère (PEMFC) est l’une des plus technologies prometteuses réservoirs de carburant. La PEMFC utilise l'une des réactions les plus simples de toutes les piles à combustible. Voyons en quoi cela consiste.

1. UN nœud – borne négative de la pile à combustible. Il conduit les électrons libérés par les molécules d'hydrogène, après quoi ils peuvent être utilisés dans un circuit externe. Il comporte des canaux gravés à travers lesquels l'hydrogène gazeux est réparti uniformément sur la surface du catalyseur.

2.À athode - la borne positive de la pile à combustible, possède également des canaux pour distribuer l'oxygène sur la surface du catalyseur. Il ramène également les électrons du circuit externe du catalyseur, où ils peuvent se combiner avec les ions hydrogène et oxygène pour former de l'eau.

3.Membrane échangeuse électrolyte-proton. Il s'agit d'un matériau spécialement traité qui conduit uniquement les ions chargés positivement et bloque les électrons. Avec le PEMFC, la membrane doit être hydratée pour fonctionner correctement et rester stable.

4. Catalyseur est un matériau spécial qui favorise la réaction de l'oxygène et de l'hydrogène. Il est généralement constitué de nanoparticules de platine appliquées en très fine couche sur du papier ou du tissu carbone. Le catalyseur a une structure de surface telle que superficie maximale la surface du platine pourrait être exposée à l'hydrogène ou à l'oxygène.

La figure montre l’hydrogène gazeux (H2) entrant dans la pile à combustible sous pression depuis le côté anode. Lorsqu’une molécule H2 entre en contact avec le platine du catalyseur, elle se divise en deux ions H+ et deux électrons. Les électrons traversent l'anode, où ils sont utilisés dans des circuits externes (effectuant un travail utile, comme faire tourner un moteur), et retournent du côté cathode de la pile à combustible.

Pendant ce temps, du côté cathodique de la pile à combustible, l’oxygène (O2) de l’air traverse le catalyseur où il forme deux atomes d’oxygène. Chacun de ces atomes possède une forte charge négative. Cette charge négative attire deux ions H+ à travers la membrane, où ils se combinent avec un atome d'oxygène et deux électrons provenant du circuit externe pour former une molécule d'eau (H2O).

Cette réaction dans une seule pile à combustible ne produit qu’environ 0,7 Volt. Pour élever la tension à un niveau raisonnable, de nombreuses piles à combustible individuelles doivent être combinées pour former une pile à combustible. Les plaques bipolaires sont utilisées pour connecter une pile à combustible à une autre et subissent une oxydation pour réduire le potentiel. Le gros problème des plaques bipolaires est leur stabilité. Les plaques métalliques bipolaires peuvent être corrodées et les sous-produits (ions fer et chrome) réduisent l'efficacité des membranes et des électrodes des piles à combustible. Par conséquent, les piles à combustible à basse température utilisent des métaux légers, du graphite et des composites de carbone et de thermodurci (un thermodurci est une sorte de plastique qui reste solide même lorsqu'il est exposé à des températures élevées) sous forme de feuille bipolaire.

Efficacité des piles à combustible

La réduction de la pollution est l’un des principaux objectifs d’une pile à combustible. En comparant une voiture alimentée par une pile à combustible à une voiture alimentée par un moteur à essence et une voiture alimentée par une batterie, vous pouvez voir comment les piles à combustible pourraient améliorer l’efficacité des voitures.

Étant donné que les trois types de voitures comportent bon nombre des mêmes composants, nous ignorerons cette partie de la voiture et comparerons les actions utiles jusqu’au point où l’énergie mécanique est produite. Commençons par la voiture à pile à combustible.

Si la pile à combustible est alimentée par de l’hydrogène pur, son efficacité peut atteindre 80 %. Ainsi, il convertit 80 % du contenu énergétique de l’hydrogène en électricité. Cependant, nous devons encore convertir l’énergie électrique en travail mécanique. Ceci est réalisé par un moteur électrique et un onduleur. Le rendement du moteur + inverseur est également d'environ 80 pour cent. Cela donne une efficacité globale d'environ 80*80/100=64 pour cent. Le véhicule concept FCX de Honda aurait une efficacité énergétique de 60 pour cent.

Si la source de carburant n’est pas sous forme d’hydrogène pur, le véhicule aura également besoin d’un reformeur. Les reformeurs convertissent les hydrocarbures ou les alcools en hydrogène. Ils génèrent de la chaleur et produisent du CO et du CO2 en plus de l'hydrogène. Ils utilisent divers appareils pour purifier l’hydrogène obtenu, mais cette purification est insuffisante et réduit l’efficacité de la pile à combustible. Les chercheurs ont donc décidé de se concentrer sur les piles à combustible pour les véhicules alimentés à l’hydrogène pur, malgré les défis liés à la production et au stockage de l’hydrogène.

Efficacité d'un moteur à essence et d'un véhicule électrique à batterie

L’efficacité d’une voiture alimentée à l’essence est étonnamment faible. Toute la chaleur évacuée ou absorbée par le radiateur est de l’énergie gaspillée. Le moteur utilise également beaucoup d’énergie pour entraîner les différentes pompes, ventilateurs et générateurs qui le font fonctionner. Ainsi, la pleine efficacité de l'automobile moteur à essence est d'environ 20 pour cent. Ainsi, seulement environ 20 pour cent de l’énergie thermique de l’essence est convertie en travail mécanique.

Un véhicule électrique alimenté par batterie a un rendement assez élevé. La batterie est efficace à environ 90 % (la plupart des batteries génèrent de la chaleur ou nécessitent du chauffage), et le moteur + l'onduleur a une efficacité d'environ 80 %. Cela donne une efficacité globale d’environ 72 pour cent.

Mais ce n'est pas tout. Pour qu’une voiture électrique puisse se déplacer, l’électricité doit d’abord être produite quelque part. S’il s’agissait d’une centrale électrique utilisant un processus de combustion de combustibles fossiles (plutôt que l’énergie nucléaire, hydroélectrique, solaire ou éolienne), alors seulement environ 40 % du combustible consommé par la centrale électrique était converti en électricité. De plus, le processus de recharge d’une voiture nécessite de convertir le courant alternatif (CA) en courant continu (CC). Ce processus a une efficacité d'environ 90 pour cent.

Or, si l’on considère l’ensemble du cycle, l’efficacité d’un véhicule électrique est de 72 % pour le véhicule lui-même, de 40 % pour la centrale électrique et de 90 % pour la recharge du véhicule. Cela donne une efficacité globale de 26 pour cent. L'efficacité globale varie considérablement en fonction de la centrale électrique utilisée pour charger la batterie. Si l'électricité de la voiture est produite par une centrale hydroélectrique, par exemple, le rendement de la voiture électrique sera d'environ 65 pour cent.

Les scientifiques étudient et améliorent les conceptions pour continuer à améliorer l'efficacité de la pile à combustible. Une nouvelle approche consisterait à combiner des véhicules alimentés par des piles à combustible et des véhicules alimentés par batterie. Un concept de véhicule propulsé par un groupe motopropulseur hybride alimenté par une pile à combustible est en cours de développement. Il utilise une batterie au lithium pour alimenter la voiture tandis que la pile à combustible recharge la batterie.

Les véhicules à pile à combustible sont potentiellement aussi efficaces qu’une voiture alimentée par batterie et rechargée à partir d’une centrale électrique n’utilisant pas de combustibles fossiles. Mais réaliser un tel potentiel est pratique et d'une manière accessible peut s'avérer difficile.

Pourquoi utiliser des piles à combustible ?

La raison principale est tout ce qui concerne le pétrole. L’Amérique doit importer près de 60 pour cent de son pétrole. D’ici 2025, les importations devraient atteindre 68 %. Les Américains utilisent quotidiennement les deux tiers du pétrole pour le transport. Même si toutes les voitures dans la rue étaient voiture hybride D’ici 2025, les États-Unis devront encore utiliser la même quantité de pétrole que celle consommée par les Américains en 2000. En fait, l'Amérique consomme un quart de tout le pétrole produit dans le monde, même si seulement 4,6 % de la population mondiale vit ici.

Les experts s’attendent à ce que les prix du pétrole continuent d’augmenter au cours des prochaines décennies à mesure que les sources moins chères diminuent. Les compagnies pétrolières doivent développer des gisements de pétrole dans des conditions de plus en plus difficiles, ce qui entraînera une hausse des prix du pétrole.

Les préoccupations vont bien au-delà de la sécurité économique. Une grande partie de l’argent provenant de la vente du pétrole est dépensé pour soutenir le terrorisme international, les partis politiques radicaux et la situation instable dans les régions productrices de pétrole.

L’utilisation du pétrole et d’autres combustibles fossiles comme source d’énergie produit de la pollution. Il est préférable que chacun trouve une alternative à la combustion de combustibles fossiles pour produire de l’énergie.

Les piles à combustible constituent une alternative intéressante à la dépendance au pétrole. Les piles à combustible produisent au lieu de polluer eau propre comme sous-produit. Bien que les ingénieurs se soient temporairement concentrés sur la production d'hydrogène à partir de diverses sources fossiles telles que l'essence ou gaz naturel, explorent des moyens renouvelables et respectueux de l’environnement pour produire de l’hydrogène à l’avenir. Le plus prometteur, bien entendu, sera le procédé de production d’hydrogène à partir de l’eau.

Dépendance pétrolière et réchauffement climatique - problème international. Plusieurs pays participent conjointement à la promotion de la recherche et du développement de la technologie des piles à combustible.

Il est clair que les scientifiques et les fabricants ont encore beaucoup de travail à faire avant que les piles à combustible ne deviennent une alternative. méthodes modernes production d'énergie. Pourtant, avec le soutien et la coopération du monde entier, un système d’alimentation par pile à combustible viable pourrait devenir une réalité d’ici quelques décennies seulement.

Une pile à combustible est un dispositif de conversion d'énergie électrochimique qui convertit l'hydrogène et l'oxygène en électricité par 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 est très similaire à une batterie qui peut être chargée puis utiliser l’énergie électrique stockée.
William R. Grove est considéré comme l'inventeur de la pile à combustible, qui l'a inventée en 1839. Dans cette pile à combustible, une solution d'acide sulfurique était utilisée comme électrolyte et de l'hydrogène était utilisé comme combustible, qui était combiné avec de l'oxygène dans un agent oxydant. Il convient de noter que jusqu'à récemment, les piles à combustible n'étaient utilisées que dans les laboratoires et sur les engins spatiaux.
À l'avenir, les piles à combustible pourront concurrencer de nombreux autres systèmes de conversion d'énergie (notamment turbine à gaz dans les centrales électriques), les moteurs à combustion interne des voitures et les batteries électriques des appareils portables. Les moteurs à combustion interne brûlent du carburant et utilisent la pression créée par l'expansion des gaz de combustion pour fonctionner. travail mécanique. Les batteries stockent l’énergie électrique, puis la convertissent en énergie chimique, qui peut être reconvertie en énergie électrique si nécessaire. Les piles à combustible sont potentiellement très efficaces. En 1824, le scientifique français Carnot a prouvé que les cycles de compression-détente d'un moteur à combustion interne ne peuvent garantir un rendement de conversion de l'énergie thermique (qui est l'énergie chimique de la combustion du carburant) en énergie mécanique supérieur à 50 %. Une pile à combustible n'a 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. Naturellement, ils auront une efficacité supérieure à 50 % et seront particulièrement efficaces à faibles charges. Ainsi, les véhicules à pile à combustible sont sur le point de devenir (et se sont déjà avérés) plus économes en carburant que les véhicules à pile à combustible. voitures régulières dans des conditions réelles de conduite.
La pile à combustible produit du courant électrique Tension continue, qui peut être utilisé pour entraîner un moteur électrique, un éclairage et d’autres systèmes électriques dans un véhicule. Il existe plusieurs types de piles à combustible, qui diffèrent par le type utilisé. procédés chimiques. 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 peuvent être utiles pour les petits appareils portables ou pour alimenter les voitures.
La pile à combustible alcaline est l’une des toutes premières piles développées. Ils sont utilisés dans le programme spatial américain depuis les années 1960. Ces piles à combustible sont très sensibles à la contamination et nécessitent donc de l’hydrogène et de l’oxygène très purs. Elles sont également très coûteuses, ce qui signifie que ce type de pile à combustible ne sera probablement pas largement utilisé dans les automobiles.
Les piles à combustible à base d'acide phosphorique peuvent trouver une application dans les installations stationnaires de faible puissance. Ils fonctionnent à des températures assez élevées et mettent donc beaucoup de temps à se réchauffer, ce qui les rend également inefficaces pour une utilisation dans les voitures.
Les piles à combustible à oxyde solide conviennent mieux aux grands générateurs électriques fixes qui pourraient alimenter des usines ou des usines. colonies. Ce type de pile à combustible fonctionne à des températures très élevées (environ 1 000 °C). La température de fonctionnement élevée crée certains problèmes, mais présente d'un autre côté un avantage : la vapeur produite par la pile à combustible peut être envoyée aux turbines pour produire plus d'électricité. Dans l’ensemble, cela améliore l’efficacité globale du système.
L'un des systèmes les plus prometteurs est la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Actuellement, ce type de pile à combustible est le plus prometteur car il peut alimenter des voitures, des bus et d’autres véhicules.

Processus chimiques dans une pile à combustible

Les piles à combustible utilisent un processus électrochimique pour combiner l'hydrogène avec l'oxygène obtenu à partir de l'air. Un péché batteries Les piles à combustible utilisent des électrodes (conducteurs électriques solides) dans un électrolyte (un milieu électriquement conducteur). Lorsque les molécules d’hydrogène entrent en contact avec l’électrode négative (anode), ces dernières sont séparées en protons et électrons. Les protons traversent une membrane échangeuse de protons (POEM) jusqu'à l'électrode positive (cathode) de la pile à combustible, produisant de l'électricité. Une combinaison chimique de molécules d’hydrogène et d’oxygène se produit pour former de l’eau comme sous-produit de cette réaction. Le seul type d’émission d’une pile à combustible est la vapeur d’eau.
L'électricité produite par les piles à combustible peut être utilisée dans le groupe motopropulseur électrique d'un véhicule (constitué d'un convertisseur de puissance électrique et moteur asynchrone courant alternatif) pour produire l’énergie mécanique nécessaire à la conduite d’un véhicule. Le rôle d'un convertisseur de puissance est de convertir le courant électrique continu produit par les piles à combustible en courant alternatif, sur lequel fonctionne le moteur de traction du véhicule.

Schéma d'une pile à combustible avec une membrane échangeuse de protons:
1 - anode;
2 - membrane échangeuse de protons (PEM) ;
3 - catalyseur (rouge);
4 - cathode

La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) utilise l’une des réactions les plus simples de toutes les piles à combustible.

Pile à combustible monocellulaire

Voyons comment fonctionne une pile à combustible. L'anode, la borne négative de la pile à combustible, conduit les électrons libérés des molécules d'hydrogène afin qu'ils puissent être utilisés dans le circuit électrique externe. Pour ce faire, des canaux y sont gravés, répartissant l'hydrogène de manière homogène sur toute la surface du catalyseur. La cathode (pôle positif de la pile à combustible) possède des canaux gravés qui distribuent l'oxygène sur la surface du catalyseur. Il ramène également les électrons de la boucle externe (circuit) vers le catalyseur, où ils peuvent se combiner avec les ions hydrogène et l’oxygène pour former de l’eau. L'électrolyte est une membrane échangeuse de protons. Il s’agit d’un matériau spécial qui ressemble au plastique ordinaire, mais qui a la capacité de laisser passer les ions chargés positivement et de bloquer le passage des électrons.
Un catalyseur est un matériau spécial qui facilite la réaction entre l'oxygène et l'hydrogène. Le catalyseur est généralement constitué de poudre de platine appliquée en couche très fine sur du papier carbone ou un tissu. Le catalyseur doit être rugueux et poreux pour que sa surface puisse entrer en contact maximum avec l'hydrogène et l'oxygène. Le côté recouvert de platine du catalyseur se trouve devant la membrane échangeuse de protons (PEM).
L'hydrogène gazeux (H2) est fourni à la pile à combustible sous pression depuis l'anode. Lorsqu’une molécule H2 entre en contact avec le platine du catalyseur, elle se divise en deux parties, deux ions (H+) et deux électrons (e–). Les électrons sont conduits à travers l'anode, où ils traversent une boucle externe (circuit), effectuant travail utile(par exemple, entraîner un moteur électrique) et retour du côté cathode de la pile à combustible.
Pendant ce temps, du côté cathode de la pile à combustible, l'oxygène gazeux (O 2 ) est forcé à travers le catalyseur, où il forme deux atomes d'oxygène. Chacun de ces atomes possède une forte charge négative, qui attire deux ions H+ à travers la membrane, où ils se combinent avec un atome d'oxygène et deux électrons du circuit externe pour former une molécule d'eau (H 2 O).
Cette réaction dans une seule pile à combustible produit environ 0,7 W de puissance. Pour augmenter la puissance au niveau requis, de nombreuses piles à combustible individuelles doivent être combinées pour former une pile à combustible.
Les piles à combustible POM fonctionnent à une température relativement basse (environ 80°C), ce qui signifie qu'elles peuvent être rapidement chauffées à la température de fonctionnement et ne nécessitent pas de systèmes coûteux refroidissement. Les améliorations continues des technologies et des matériaux utilisés dans ces cellules ont rapproché leur puissance du point où une batterie de telles piles à combustible, occupant une petite partie du coffre d'une voiture, peut fournir l'énergie nécessaire à la conduite de la voiture.
Au cours des dernières années, la plupart des principaux constructeurs automobiles mondiaux ont investi massivement dans le développement de modèles de véhicules utilisant des piles à combustible. Beaucoup ont déjà fait la démonstration de véhicules à pile à combustible présentant des caractéristiques de puissance et de performance satisfaisantes, même s'ils étaient assez chers.
L'amélioration de la conception de ces voitures est très intensive.

Le véhicule à pile à combustible utilise une centrale électrique située sous le plancher du véhicule

Le véhicule NECAR V est basé sur le Mercedes-Benz Classe A, et l'ensemble de la centrale électrique ainsi que les piles à combustible sont situés sous le plancher de la voiture. Cette solution de conception permet d'accueillir quatre passagers et bagages dans la voiture. Ici, ce n'est pas l'hydrogène, mais le méthanol qui est utilisé comme carburant pour la voiture. Le méthanol, à l'aide d'un reformeur (un appareil qui convertit le méthanol en hydrogène), est converti en hydrogène nécessaire pour alimenter la pile à combustible. L'utilisation d'un reformeur à bord d'une voiture permet d'utiliser presque tous les hydrocarbures comme carburant, ce qui permet de faire le plein d'une voiture à pile à combustible en utilisant le réseau de stations-service existant. En théorie, les piles à combustible ne produisent que de l’électricité et de l’eau. La conversion du carburant (essence ou méthanol) en hydrogène nécessaire à une pile à combustible réduit quelque peu l'attrait environnemental d'une telle voiture.
Honda, impliqué dans le secteur des piles à combustible depuis 1989, en a produit un petit lot en 2003. Voitures Honda FCX-V4 avec piles à combustible échangeuses de protons de type membrane Ballard. Ces piles à combustible produisent 78 kW Puissance électrique, et pour entraîner les roues motrices, ils sont utilisés moteurs de traction avec une puissance de 60 kW et un couple de 272 Nm. Une voiture à pile à combustible, par rapport à une voiture traditionnelle, a une masse d'environ 40 % inférieure, ce qui lui confère une excellente dynamique, et la réserve d'hydrogène comprimé permet une gamme de jusqu'à 355 km.

Le Honda FCX utilise l’énergie électrique générée par les piles à combustible pour rouler.
Le Honda FCX est le premier véhicule à pile à combustible au monde à recevoir une certification gouvernementale aux États-Unis. La voiture est certifiée selon les normes ZEV - Zero Emission Vehicle. Honda ne va pas encore vendre ces voitures, mais loue environ 30 voitures par unité. Californie et Tokyo, où des infrastructures de ravitaillement en hydrogène existent déjà.

Le véhicule concept Hy Wire de General Motors est équipé d'un groupe motopropulseur à pile à combustible

General Motors mène des recherches approfondies sur le développement et la création de véhicules à pile à combustible.

Châssis de voiture Hy Wire

En créant prototype de voiture GM Hy Wire a obtenu 26 brevets. La base de la voiture est une plate-forme fonctionnelle de 150 mm d'épaisseur. À l'intérieur de la plate-forme se trouvent des bouteilles d'hydrogène, une centrale électrique à pile à combustible et des systèmes de contrôle des véhicules utilisant Technologies les plus récentes contrôle électronique Par fil. Le châssis du véhicule Hy Wire est une plate-forme mince qui abrite tous les principaux éléments de la structure du véhicule : réservoirs d'hydrogène, piles à combustible, batteries, moteurs électriques et systèmes de contrôle. Cette approche de conception permet de changer de carrosserie en cours d'exploitation. L'entreprise teste également des Voitures Opel sur les piles à combustible et conçoit une usine de fabrication de piles à combustible.

Conception d'un réservoir de carburant à hydrogène liquéfié "sûr":
1 - dispositif de remplissage ;
2 - réservoir externe ;
3 - supports ;
4 - capteur de niveau ;
5 - réservoir interne ;
6 - ligne de remplissage ;
7 - isolation et vide ;
8 - chauffage ;
9 - boîte de montage

Le problème de l’utilisation de l’hydrogène comme carburant pour les voitures suscite beaucoup d’attention. société BMW. En collaboration avec Magna Steyer, célèbre pour ses travaux sur l'utilisation de l'hydrogène liquéfié dans l'exploration spatiale, BMW a développé un réservoir de carburant pour l'hydrogène liquéfié pouvant être utilisé dans les voitures.

Des tests ont confirmé la sécurité de l'utilisation d'un réservoir de carburant à hydrogène liquide

L'entreprise a réalisé une série de tests de sécurité de la structure selon des méthodes standards et a confirmé sa fiabilité.
En 2002, une voiture a été présentée au salon automobile de Francfort-sur-le-Main (Allemagne). Mini Cooper L'hydrogène, qui utilise de l'hydrogène liquéfié comme carburant. Réservoir d'essence Cette voiture occupe le même espace qu’un réservoir d’essence ordinaire. L’hydrogène présent dans cette voiture n’est pas utilisé pour les piles à combustible, mais comme carburant pour le moteur à combustion interne.

La première voiture de série au monde équipée d'une pile à combustible au lieu d'une batterie

En 2003, BMW a annoncé la production de la première voiture de série équipée d'une pile à combustible, la BMW 750 hL. Une batterie à pile à combustible est utilisée à la place d’une batterie traditionnelle. Cette voiture est équipée d'un moteur à combustion interne de 12 cylindres fonctionnant à l'hydrogène, et la pile à combustible sert d'alternative à une batterie conventionnelle, permettant au climatiseur et aux autres consommateurs électriques de fonctionner lorsque la voiture est garée pendant de longues périodes sans que le moteur ne tourne.

Le remplissage d'hydrogène est effectué par un robot, le conducteur n'est pas impliqué dans ce processus

La même société BMW a également développé la robotique pompes à essence, qui permettent un ravitaillement rapide et sûr des voitures en hydrogène liquéfié.
Apparition dans dernières années un grand nombre de développements visant à créer des voitures utilisant des carburants alternatifs et des alternatives centrales électriques, suggère que les moteurs à combustion interne, qui ont dominé les automobiles au cours du siècle dernier, finiront par céder la place à des modèles plus propres, plus efficaces et plus silencieux. Leur adoption généralisée est actuellement limitée non pas par des problèmes techniques, mais plutôt par des problèmes économiques et sociaux. Pour leur utilisation généralisée, il est nécessaire de créer une certaine infrastructure pour le développement de la production de carburants alternatifs, la création et la distribution de nouveaux les stations-service et pour surmonter un certain nombre de barrières psychologiques. L’utilisation de l’hydrogène comme carburant automobile nécessitera de résoudre les problèmes de stockage, de livraison et de distribution, en mettant en place de sérieuses mesures de sécurité.
L’hydrogène est théoriquement disponible en quantité illimitée, mais sa production est très gourmande en énergie. En outre, pour convertir les voitures à l’hydrogène, il est nécessaire d’apporter deux changements majeurs au système électrique : d’abord, passer de l’essence au méthanol, puis, au bout d’un certain temps, à l’hydrogène. Il faudra un certain temps avant que ce problème soit résolu.

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. Ils n'ont pas besoin d'être facturés pendant des heures jusqu'à ce que complètement chargé. 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 l'élément principal les gaz d'échappement voiture. 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 tel catalyseur qui remplace le coûteux platine 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 une voiture sous la forme appareil indépendant 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).

Les piles à combustible (générateurs électrochimiques) sont très efficaces, durables, fiables et respectueuses de l'environnement. méthode propre obtenir de l'énergie. 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 :

Section de production d'électricité ;
CPU;
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 tout autre carburant contenant de l'hydrogène) interagit à hypertension artérielle et à haute température (environ 900 °C) avec de la vapeur d'eau sous l'action d'un catalyseur - le 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 solide mince composé organique petite 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 ; c'est 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.

Réaction chimique qui se produit dans d'autres types de piles à combustible (par exemple, avec un électrolyte acide sous la forme acide phosphorique H3PO4) est totalement identique à la réaction d’un appareil à 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 le secteur civil.

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 une application dans les ordinateurs de poche avancés, les ordinateurs portables, les appareils ménagers. appareils électroniques, téléphones portables, 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 pas de moteur à combustion interne du tout. 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. Une certaine demande haute qualité carburant, d’autres ont une conception complexe et nécessitent des températures de fonctionnement élevées.

De manière générale, on peut noter les avantages suivants des piles à combustible :

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.