Aujourd'hui, le monde s'oriente vers un avenir énergétique durable. Bien que le vainqueur final reste inconnu, l'hydrogène s'impose comme un leader incontesté, offrant de nombreuses possibilités de production, de distribution et d'application de l'énergie. Pour percer le mystère des avantages des piles à combustible, commençons par expliquer ce qu'est une pile à combustible et ses différents types, puis découvrons leurs avantages et leurs inconvénients.
Les piles à combustible existent depuis plus de 150 ans et constituent une source d'énergie inépuisable, écologiquement sûre et disponible en permanence. Alors, pourquoi ne sont-elles pas encore utilisées partout ? Jusqu'à récemment, c'était à cause de leur coût. Leur fabrication était hors de prix. Ce n'est plus le cas aujourd'hui.
Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique en courant électrique utilisableChaque pile à combustible possède deux électrodes, l'anode et la cathode. C'est là que se produisent les réactions génératrices d'électricité.
Chaque pile à combustible possède également un électrolyte, qui transporte les particules chargées électriquement d'une électrode à l'autre, ainsi qu'un catalyseur, qui accélère les réactions aux électrodes. Bien que l'hydrogène soit le combustible le plus basique, les piles à combustible nécessitent également de l'oxygène. L'un des principaux atouts des piles à combustible est leur faible production d'énergie. Pollution une grande partie de l’hydrogène et de l’oxygène nécessaires à la création d’énergie se mélangent finalement pour former un sous-produit inoffensif, principalement de l’eau.
Une seule pile à combustible produit une quantité négligeable de courant continu (CC). En pratique, plusieurs piles à combustible sont fréquemment empilées. Les concepts sont les mêmes, que ce soit dans une cellule ou un empilement. Voyons maintenant les avantages et les inconvénients des piles à combustible.
4 avantages et inconvénients des piles à combustible
Sir William Robert Grove, juge, inventeur et scientifique gallois, a inventé la première pile à combustible en 1839. Il a créé de l'électricité et de l'eau en combinant de l'hydrogène et de l'oxygène en présence d'un électrolyte. Cette innovation, connue plus tard sous le nom de pile à combustible, ne produisait pas suffisamment d'électricité pour être utile. Examinons donc quelques-unes de ses caractéristiques. avantages et inconvénients.
Avantages
1. Aucune recharge nécessaire
Une pile à combustible n'a pas besoin d'être rechargée. Elle peut reproduire l'énergie jusqu'à ce qu'elle soit alimentée en combustible.
2. Aucun problème de santé
Les piles à combustible ne sont pas dangereuses et ne causent pas de problèmes de santé car elles ne produisent pas de fumée ni de smog pendant leur fonctionnement.
3. Efficace
Les piles à combustible sont extrêmement efficaces, car elles peuvent transformer l'énergie chimique directement en énergie électrique. Comparées aux autres alternatives disponibles sur le marché, elles sont 60 % plus efficaces.
4. Sans pollution
Les piles à combustible n'ont aucun impact négatif sur la pollution atmosphérique. C'est l'un de leurs avantages les plus notables. L'absence de pièces mécaniques les rend totalement silencieuses, et donc sans pollution sonore.
Si l’hydrogène est utilisé comme carburant d’entrée, les seuls sous-produits observés sont l’eau, la chaleur et l’électricité, ce qui se traduit par une efficacité maximale et aucune émission de matières nocives.
Désavantages
1. Cher et non durable
Les piles à combustible présentent certes des avantages, mais aussi des inconvénients. Elles sont par exemple assez coûteuses et ont une durée de vie plus courte.
2. Difficile à stocker
Les piles à combustible sont difficiles à stocker car le combustible utilisé dans les piles doit être maintenu à un niveau de température et de pression spécifique.
3. Dangereux et dangereux
L'hydrogène est un carburant très inflammable, ce qui pose d'évidents problèmes de sécurité. Dans l'air, l'hydrogène gazeux brûle à des concentrations allant de 4 à 75 %.
4. Difficile à extraire
Bien qu'il soit l'élément le plus abondant de l'Univers, l'hydrogène n'existe pas seul ; il doit donc être extrait de l'eau par électrolyse ou isolé des combustibles fossiles à base de carbone. Ces deux méthodes nécessitent une quantité importante d'énergie.
Cette énergie peut être plus coûteuse que celle obtenue à partir de l'hydrogène lui-même. De plus, en l'absence de CCS, cette extraction nécessite souvent le recours à des combustibles fossiles, compromettant ainsi les atouts écologiques de l'hydrogène.
Quels sont les différents types de piles à combustible ?
Après avoir étudié les avantages et les inconvénients des piles à combustible, découvrons les différents types de piles à combustible. La principale distinction entre les piles à combustible réside dans leur type d'électrolyte utilisé. Cette classification définit le type de :
- Processus électrochimiques qui se produisent dans la cellule
- Le type de catalyseurs nécessaires
- La plage de température à laquelle fonctionne la cellule
- Le carburant nécessaire et d'autres critères.
Ces propriétés influencent à leur tour les applications pour lesquelles ces piles sont les mieux adaptées. Plusieurs variétés de piles à combustible sont actuellement en cours de développement, chacune présentant ses propres avantages, limites et applications potentielles. Découvrez-en plus sur les différents types de piles à combustible ci-dessous.
1. Piles à combustible à membrane électrolytique polymère
Membrane électrolytique polymère Les piles à combustible (PEM), également appelées piles à combustible à membrane échangeuse de protons, ont une densité de puissance élevée et faible poids et volume comparé aux piles à combustible conventionnelles. L'électrolyte des piles à combustible PEM est un polymère solideLes électrodes sont en carbone poreux avec un catalyseur en platine ou en alliage de platine. Elles nécessitent simplement de l'hydrogène, de l'oxygène de l'air et de l'eau pour fonctionner. Elles sont généralement alimentées par de l'hydrogène pur provenant de réservoirs de stockage ou de reformeurs.
Piles à combustible PEM fonction à basses températures, généralement autour de 80 °C (176 °F). Le fonctionnement à basse température permet un démarrage rapide (avec un temps de préchauffage réduit) et réduit l'usure des composants du système, d'où une plus grande durabilité. Cependant, il nécessite l'utilisation d'un catalyseur en métal noble (généralement du platine) pour séparer les électrons et les protons de l'hydrogène, ce qui augmente le coût du système. Le catalyseur en platine étant particulièrement sensible à l'intoxication au monoxyde de carbone, un réacteur supplémentaire est nécessaire pour éliminer le monoxyde de carbone du gaz combustible si l'hydrogène est produit à partir d'un combustible hydrocarboné. Ce réacteur est également coûteux.
Les piles à combustible PEM sont principalement Employé dans Les piles à combustible PEM sont particulièrement adaptées aux applications automobiles, telles que les automobiles, les bus et les poids lourds.
2. Piles pour carburant au méthanol direct
La plupart des piles à combustible sont alimentées par de l'hydrogène, qui peut être injecté directement dans le système ou créé en reformant des carburants riches en hydrogène comme le méthanol, l'éthanol et les hydrocarbures. Cependant, les piles à combustible à méthanol direct (DMFC) sont alimenté au méthanol pur, qui est généralement combiné avec de l'eau et délivré directement à l'anode de la pile à combustible.
Parce que le méthanol a une densité d'énergie plus élevée que l'hydrogène, mais moins que l'essence ou le diesel. Les piles à combustible à méthanol direct évitent de nombreux problèmes de stockage de carburant qui affectent certains systèmes de piles à combustible. Le méthanol étant liquide, comme l'essence, il est également plus facile à transporter et à distribuer au public grâce à nos infrastructures actuelles. Les piles à combustible à méthanol direct sont fréquemment utilisées pour alimenter des applications portables à piles à combustible comme les téléphones et les ordinateurs portables.
3. Piles pour combustible alcalin
Les piles à combustible alcalines (PAC) ont été parmi les premières technologies de piles à combustible inventées et ont été le premier type largement utilisé dans le programme spatial américain pour produire de l'énergie électrique et de l'eau à bord des engins spatiaux. L'électrolyte de ces piles à combustible est un solution d'hydroxyde de potassium dans l'eau, et l'anode et la cathode peuvent être constituées d'un certain nombre de métaux non précieux.
L’un des défis majeurs de ce type de pile à combustible est qu’il est sujettes à Intoxication au dioxyde de carbone (CO2). En effet, même des traces de CO2 dans l'air peuvent avoir un impact significatif sur les performances et la durabilité des cellules en raison de la production de carbonate. Les cellules alcalines à électrolytes liquides peuvent fonctionner en mode recirculation, ce qui permet la régénération de l'électrolyte et contribue à atténuer les effets de la production de carbonate dans l'électrolyte, mais introduit également des problèmes de courant de dérivation.
Problèmes supplémentaires Les systèmes à électrolyte liquide présentent des inconvénients, notamment la mouillabilité, une corrosion accrue et des difficultés de contrôle des pressions différentielles. Ces difficultés sont résolues par les piles à combustible à membrane alcaline (AMFC), moins sensibles à l'intoxication au CO₂ que les AFC à électrolyte liquide. Cependant, le CO₂ continue d'avoir un impact sur les performances, et les performances et la durabilité des AMFC sont inférieures à celles des PEMFC.
Les AMFC sont étudiés pour applications allant de W à kW. La tolérance au dioxyde de carbone, la conductivité et la durabilité de la membrane, le fonctionnement à haute température, la gestion de l'eau, la densité de puissance et l'électrocatalyse anodique sont autant de défis pour les AMFC.
4. Cellules d'acide phosphorique
PAFC utiliser de l'acide phosphorique liquide comme électrolyte (L'acide est maintenu dans une matrice de carbure de silicium liée au Téflon) et des électrodes de carbone poreuses avec un catalyseur au platine. Le schéma de droite illustre les réactions électrochimiques qui se produisent dans la cellule.
Le PAFC est considéré comme Pile à combustible contemporaine de « première génération ». C'est l'un des types de pile les plus développés et le premier à être commercialisé. Bien que ce type de pile soit généralement utilisé pour produire de l'électricité stationnaire, certaines piles à combustible à pile à combustible (PAFC) ont été utilisées pour alimenter de gros véhicules, comme les bus urbains.
Les PAFC sont plus résistant Les piles à combustible PEM sont plus sensibles aux impuretés des combustibles fossiles reformés que les piles à combustible PEM, qui sont facilement « empoisonnées » par le monoxyde de carbone, car celui-ci se lie au catalyseur en platine à l'anode, réduisant ainsi le rendement de la pile. Les piles à combustible PAFC ont un rendement supérieur à 85 % lorsqu'elles sont utilisées pour produire à la fois de l'électricité et de la chaleur, mais elles sont moins efficaces lorsqu'elles sont utilisées pour produire uniquement de l'électricité (37 %-42 %).
Le Efficacité Le rendement des piles à combustible à peroxyde d'hydrogène (PAC) est légèrement supérieur à celui des centrales à combustion, dont le rendement est généralement d'environ 33 %. À poids et volume identiques, les PAC sont également moins puissantes que les autres piles à combustible. Elles sont donc généralement volumineuses et lourdes. Les PAC sont également coûteuses. Elles nécessitent des charges de catalyseur au platine nettement plus importantes que les autres types de piles à combustible, ce qui augmente leur coût.
5. Piles à combustible pour carbonate fondu
Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) sont en cours de développement pour les centrales électriques au gaz naturel et au charbon, ainsi que pour les applications électriques, industrielles et militaires. Les MCFC sont des piles à combustible à haute température qui utiliser un électrolyte composé de sels de carbonate fondus Flottant dans une matrice céramique d'oxyde de lithium et d'aluminium poreuse et chimiquement inerte. Les métaux non précieux peuvent être utilisés comme catalyseurs à l'anode et à la cathode, car ils fonctionnent à des températures élevées de 650 °C (environ 1,200 XNUMX °F).
Une autre raison pour laquelle les MCFC offrent des économies de coûts significatives par rapport aux piles à combustible à acide phosphorique est efficacité amélioréeAssociées à une turbine, les piles à combustible à carbonate fondu peuvent atteindre un rendement proche de 65 %, ce qui est nettement supérieur aux 37 à 42 % de rendement d'une pile à combustible à acide phosphorique. Le rendement global du combustible peut dépasser 85 % lorsque la chaleur résiduelle est récupérée et utilisée.
MCFC ne nécessitent pas de réformateur externe Pour convertir le gaz naturel et le biogaz en hydrogène. Comme les MCFC fonctionnent à haute température, le méthane et les autres hydrocarbures légers contenus dans ces combustibles sont transformés en hydrogène au sein même de la pile à combustible grâce à un procédé appelé reformage interne, qui permet également des économies.
L’inconvénient fondamental de la technologie MCFC existante est son durée de vie courteLes températures de fonctionnement élevées de ces cellules, ainsi que l'électrolyte caustique utilisé, accélèrent la dégradation et la corrosion des composants, réduisant ainsi leur durée de vie. Les scientifiques étudient actuellement des matériaux résistants à la corrosion pour les composants, ainsi que des conceptions de piles à combustible permettant de doubler leur durée de vie, actuellement de 40,000 XNUMX heures (cinq ans), sans compromettre leurs performances.
6. Piles pour combustible à oxyde solide
Dans les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), le l'électrolyte est une céramique dense et non poreuseLes SOFC convertissent le combustible en électricité avec un rendement d'environ 60 %. Le rendement global de l'utilisation du combustible pourrait dépasser 85 % dans les systèmes destinés à capter et à utiliser la chaleur résiduelle (cogénération).
SOFC fonctionner à des températures extrêmement élevées, jusqu'à 1,000 1,830 °C (XNUMX XNUMX °F). Le fonctionnement à haute température élimine le recours à un catalyseur à base de métal précieux, réduisant ainsi les coûts. Il permet également aux SOFC de reformer les combustibles en interne, ce qui leur permet d'utiliser une gamme plus large de combustibles et de réduire le coût d'ajout d'un reformeur au système.
Les SOFC sont également les piles à combustible les plus résistantes au soufre, capables de supporter des quantités de soufre bien supérieures à celles des autres types de piles. De plus, elles ne sont pas affectées par le monoxyde de carbone, qui peut même être utilisé comme combustible. Cette caractéristique permet aux SOFC d'utiliser du gaz naturel, du biogaz et des gaz dérivés du charbon. Leur fonctionnement à haute température présente toutefois des inconvénients.
Cela provoque un démarrage retardé et nécessite un blindage thermique important pour conserver la chaleur et protéger les employés, ce qui est acceptable pour les besoins des services publics, mais pas pour le transport. En raison de températures de fonctionnement élevéesLes matériaux doivent répondre à des normes de durabilité strictes. La principale difficulté technique de cette technologie réside dans le développement de matériaux peu coûteux et hautement résistants aux températures de fonctionnement des cellules.
Les scientifiques étudient actuellement la possibilité de construire des SOFC à basse température, fonctionnant à 700 °C ou moins, présentant moins de problèmes de durabilité et étant moins coûteuses. Les SOFC à basse température n'ont pas encore atteint les performances des systèmes à haute température, et les matériaux de pile pour cette plage de températures inférieures sont encore en cours de développement.
7. Piles à combustible réversibles
Les piles à combustible réversibles, comme les piles à combustible classiques, produisent de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène, tout en produisant de la chaleur et de l'eau comme sous-produits. Les systèmes de piles à combustible réversibles, quant à eux, peut utiliser l'électricité de l'énergie solaire, éolienne ou d'autres sources pour diviser l'eau en oxygène et en hydrogène via un processus appelé électrolyse.
Les piles à combustible réversibles peuvent produire de l'électricité Lorsque cela est nécessaire, mais pendant les périodes de forte production d'énergie par d'autres technologies (par exemple, lorsque des vents violents entraînent un excédent d'énergie éolienne disponible), les piles à combustible réversibles peuvent stocker l'excédent d'énergie sous forme d'hydrogène. Cette capacité de stockage d'énergie pourrait révolutionner les technologies des énergies renouvelables intermittentes. Ensuite, découvrons le principe de fonctionnement des piles à combustible.
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Quel est le principe de fonctionnement d’une pile à combustible ?
Après avoir découvert les avantages des piles à combustible, vous devriez également en apprendre davantage sur leur principe de fonctionnement. Une pile à combustible est composé de Deux électrodes, une anode et une cathode, séparées par une membrane électrolytique. L'hydrogène, le méthane, l'éthane, l'éthanol et d'autres combustibles organiques peuvent être utilisés dans une pile à combustible pour produire de l'électricité. les carburants subissent une combustion incomplète et émettent de la chaleur comme sous-produit. La plupart de ces réactions sont de nature redox et créent de l'eau et du dioxyde de carbone comme sous-produits.
Le transport d'électrons lors des réactions d'oxydoréduction entraîne la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique. Un électrolyte est placé entre les électrodes. Le combustible est acheminé vers chaque électrode séparément. Supposons que, dans une pile à combustible, l'hydrogène soit acheminé vers l'anode et l'air vers la cathode. Dans ce cas, le catalyseur situé côté anode de la pile a tendance à décomposer les molécules d'hydrogène en particules plus petites, telles que des protons et des électrons.
Les deux éléments tentent de se déplacer vers la cathode par des voies distinctes. Les électrons empruntent un canal externe jusqu'à la cathode, fournissant du courant, tandis que les protons traversent la membrane électrolytique jusqu'à la cathode, où ils réagissent avec les molécules d'oxygène et les électrons pour former de l'eau et de la chaleur comme sous-produits.
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Énumérez quelques applications des piles à combustible
Examinons dix utilisations des piles à combustible à hydrogène, dont certaines que vous ne connaissez peut-être pas !
1. Gestion de l'entrepôt : Plusieurs grandes organisations d’entreposage et de distribution se tournent vers les piles à combustible à hydrogène pour alimenter des camions, des chariots élévateurs, des transpalettes et d’autres équipements propres.
2. Diffusion internationale : Les piles à combustible offrent l'autonomie et la puissance nécessaires au transport longue distance et à la distribution locale. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth et UPS fabriquent déjà des semi-remorques et des fourgonnettes à hydrogène.
3. Autobus : L'hydrogène est à l'étude pour être utilisé dans différents modes de transport public, notamment les bus à pile à combustible. Plusieurs grandes villes ont expérimenté des bus à hydrogène, notamment Chicago, Vancouver, Londres et Pékin.
4. Trains : Les trains à pile à combustible à hydrogène sont désormais arrivés en Allemagne, et d’autres types devraient arriver au Royaume-Uni, en France, en Italie, au Japon, en Corée du Sud et aux États-Unis au cours des cinq prochaines années.
5. Véhicules individuels : Neuf grands constructeurs automobiles travaillent sur des véhicules électriques à pile à combustible à hydrogène (HFCEV) destinés à un usage personnel. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo et BMW I Hydrogen Next comptent parmi les modèles les plus remarquables.
6. Avions : Plusieurs projets expérimentaux, dont les prototypes Pathfinder et Helios, ont étudié l'utilisation de piles à combustible à hydrogène dans l'aérospatiale. Ces véhicules sans pilote longue distance utilisaient un système hybride à piles à combustible à hydrogène alimentées par des panneaux solaires, permettant théoriquement des vols continus de jour comme de nuit, sans limite.
7. Génération d'énergie de secours : Les piles à combustible stationnaires sont utilisées dans les systèmes d'alimentation sans interruption (ASI) où une disponibilité continue est essentielle. Les hôpitaux et les centres de données se tournent de plus en plus vers l'hydrogène pour leur alimentation sans interruption. Microsoft a récemment fait parler de lui après un test réussi de ses nouveaux générateurs de secours à hydrogène, qui a permis au serveur d'un centre de données de fonctionner exclusivement à l'hydrogène pendant deux jours.
8. Production d'énergie mobile : L'hydrogène offre de nombreuses possibilités pour la production d'énergie mobile. La NASA a d'ailleurs produit certaines des premières piles à combustible à hydrogène pour alimenter des fusées et des navettes spatiales.
9. Véhicules aériens sans pilote (UAV) : De nombreuses applications innovantes des drones, de la livraison de colis aux missions de recherche et sauvetage, sont fortement limitées par la puissance et l'autonomie des batteries standard. L'armée et le secteur privé entendent remédier à ces problèmes grâce aux piles à combustible à hydrogène, dont l'autonomie est jusqu'à trois fois supérieure à celle des appareils alimentés par batterie. Les piles à combustible offrent un meilleur rapport énergie/masse et se rechargent en quelques minutes.
10. Bateaux et sous-marins : Les piles à combustible à hydrogène sont utilisées dans diverses applications marines. Certains bateaux, comme l'Energy Observer, produisent même leur propre hydrogène pour un système de piles à combustible grâce à des panneaux solaires et des éoliennes embarqués. Les piles à combustible à hydrogène offrent une alternative. puissance nucléaire pour les sous-marins militaires furtifs tels que le type 212 allemand, avec une grande portée, une croisière silencieuse et peu de chaleur d'échappement.
Les piles à combustible représentent une alternative prometteuse aux carburants automobiles actuels. Bien que certains aspects de cette technologie, comme le stockage embarqué efficace, nécessitent encore des développements, rien n'empêche les piles à combustible de devenir un carburant aussi pratique et attractif que le diesel ou l'essence aujourd'hui. J'espère que cet article vous a permis de comprendre les avantages et les inconvénients des piles à combustible. N'hésitez pas à partager vos questions dans la section commentaires.
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