Survol de la technologie des piles à combustible

Qu'est-ce qu'une pile à combustible?

Une pile à combustible est un dispositif qui génère de l'électricité par une réaction chimique. Chaque pile à combustible comporte deux électrodes appelées, respectivement, l'anode et la cathode. Les réactions qui produisent de l'électricité ont lieu au niveau des électrodes.

Chaque pile à combustible possède également un électrolyte, qui transporte des particules chargées électriquement d'une électrode à l'autre, et d'un catalyseur, ce qui accélère les réactions aux électrodes.

L'hydrogène est le carburant de base, mais les piles à combustible ont également besoin d'oxygène. Un grand appel des piles à combustible est qu'ils produisent de l'électricité avec très peu de pollution # 150; une grande partie de l'hydrogène et de l'oxygène utilisé dans la production d'électricité se combinent pour former finalement un sous-produit inoffensif, à savoir l'eau.

Un détail de la terminologie: une pile à combustible unique génère une petite quantité d'électricité courant continu (DC). Dans la pratique, de nombreuses piles à combustible sont généralement assemblées en une pile. Cellule ou pile, les principes sont les mêmes.

Comment fonctionnent les piles à combustible?

Il existe plusieurs types de piles à combustible, et chacun fonctionne un peu différemment. Mais de manière générale, des atomes d'hydrogène entrent dans une pile à combustible à l'anode où une réaction chimique les dépouille de leurs électrons. Les atomes d'hydrogène sont maintenant « ionisés », et portent une charge électrique positive. Les électrons chargés négativement fournissent le courant à travers les fils pour faire le travail. Si par l'intermédiaire d'un dispositif de conversion courant alternatif (AC) est nécessaire, la sortie en courant continu de la pile à combustible doit être acheminé appelé un inverseur.

L'oxygène pénètre dans la pile à combustible à la cathode et, dans certains types de cellules (tel que celui illustré ci-dessus), il y combine avec des électrons de retour du circuit électrique et les ions hydrogène qui ont traversé l'électrolyte de l'anode. Dans d'autres types de cellules de l'oxygène capte des électrons, puis se déplace à travers l'électrolyte à l'anode, où il se combine avec des ions hydrogène.

L'électrolyte joue un rôle clé. Il doit permettre que les ions appropriés pour passer entre l'anode et la cathode. Si les électrons libres ou d'autres substances pourraient voyager à travers l'électrolyte, ils perturberaient la réaction chimique.

Qu'elles se combinent à l'anode ou de la cathode, ainsi que l'hydrogène et l'eau sous forme d'oxygène, qui draine de la cellule. Tant que la pile à combustible est alimentée en hydrogène et en oxygène, il va générer de l'électricité.

Mieux encore, étant donné que les piles à combustible produisent de l'électricité chimiquement, plutôt que par la combustion, ils ne sont pas soumis aux lois de la thermodynamique qui limitent une centrale électrique conventionnelle (voir « Limite Carnot » dans le glossaire). Par conséquent, les piles à combustible sont plus efficaces pour extraire l'énergie d'un combustible. La chaleur résiduelle de certaines cellules peut également être mise à profit, renforcer encore l'efficacité du système.

Alors, pourquoi je ne peux pas sortir et d'acheter une pile à combustible?

Les scientifiques et les inventeurs ont conçu différents types et tailles de piles à combustible dans la recherche d'une plus grande efficacité, et les détails techniques de chaque type varient. Un grand nombre des choix face aux développeurs de piles à combustible sont limitées par le choix de l'électrolyte. La conception d'électrodes, par exemple, et les matériaux utilisés pour les rendre dépendent de l'électrolyte. Aujourd'hui, les principaux types d'électrolyte sont le carbonate alcalin, en fusion, l'acide phosphorique, la membrane échangeuse de protons (PEM) et de l'oxyde solide. Les trois premiers sont des électrolytes liquides; les deux derniers sont solides.

Le type de carburant dépend aussi de l'électrolyte. Certaines cellules ont besoin d'hydrogène pur, et par conséquent exigent un équipement supplémentaire comme un « réformateur » pour purifier le combustible. D'autres cellules peuvent tolérer certaines impuretés, mais pourraient avoir besoin des températures plus élevées pour fonctionner efficacement. Les électrolytes liquides circulent dans certaines cellules, ce qui nécessite des pompes. Le type d'électrolyte dicte également la température de fonctionnement d'une cellule de # 150; cellules carbonate « fondu » capable de rouler à chaud, tout comme le nom l'indique.

Chaque type de pile à combustible présente des avantages et des inconvénients par rapport aux autres, et n'est encore pas cher et assez efficace pour remplacer largement les méthodes traditionnelles de production d'énergie, ces centrales au charbon, hydroélectriques ou même nucléaires.

Les différents types de piles à combustible.

les piles à combustible fonctionnent sur alcalins hydrogène et l'oxygène comprimé. Ils utilisent en général une solution d'hydroxyde de potassium (chimiquement, KOH) dans l'eau comme électrolyte. L'efficacité est d'environ 70 pour cent, et la température de fonctionnement est de 150 à 200 ° C, (environ 300 à 400 degrés Fahrenheit). les plages de sortie de cellule de 300 watts (W) à 5 kilowatts (kW). les cellules ont été utilisées dans Alkali vaisseau spatial Apollo pour fournir de l'électricité et de l'eau potable. Ils nécessitent pur combustible d'hydrogène, cependant, et leurs catalyseurs d'électrodes en platine sont chers. Et comme tout récipient rempli de liquide, ils peuvent fuir.

les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) utilisent des composés à haute température de carbonates de sel (comme le sodium ou le magnésium) (chimiquement, CO 3) comme électrolyte. gammes d'efficacité de 60 à 80 pour cent, et la température de fonctionnement est d'environ 650 degrés Celsius (1200 degrés Fahrenheit). Les unités avec sortie jusqu'à 2 mégawatts (MW) ont été construits, et des modèles existent pour les unités allant jusqu'à 100 MW. Les limites de température élevée les dommages causés par le monoxyde de carbone « empoisonnement » de la cellule et de la chaleur déchets peuvent être recyclés pour produire de l'électricité supplémentaire. Les catalyseurs à base de nickel-électrodes sont peu coûteux par rapport à la platine utilisée dans d'autres cellules. Mais la température élevée limite également les matériaux et les utilisations sûres de MCFC # 150; ils seraient probablement trop chaud pour un usage domestique. En outre, des ions carbonates de l'électrolyte sont utilisés dans les réactions, ce qui rend nécessaire d'injecter du dioxyde de carbone pour compenser.

Phosphoric Acid piles à combustible (PAFC) utilisent de l'acide phosphorique comme electrolyte. gammes d'efficacité de 40 à 80 pour cent, et la température de fonctionnement est comprise entre 150 et 200 degrés Celsius (environ 300 à 400 degrés Fahrenheit). les cellules de l'acide phosphorique existantes ont des sorties jusqu'à 200 kW et 11 MW ont été testées. PAFC tolérer une concentration de monoxyde de carbone d'environ 1,5 pour cent, ce qui élargit le choix des carburants qu'ils peuvent utiliser. Si l'essence est utilisée, le soufre doit être retiré. Les catalyseurs d'électrodes de platine sont nécessaires, et les pièces internes doivent être capables de résister à la corrosion acide.

les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) travaillent avec un électrolyte polymère sous la forme d'une feuille mince, perméable. L'efficacité est d'environ 40 à 50 pour cent, et la température de fonctionnement est d'environ 80 degrés C (environ 175 ° F). sorties de cellule vont généralement de 50 à 250 kW. L'électrolyte solide, flexible ne coulera pas ou se fissurer, et ces cellules fonctionnent à une température suffisamment basse pour les rendre aptes pour les maisons et les voitures. Mais leurs carburants doivent être purifiés, et un catalyseur de platine est utilisé sur les deux côtés de la membrane, la hausse des coûts.

les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) utilisent un disque, composé de céramique d'oxydes métalliques (comme le calcium ou le zirconium) (chimiquement, O 2) en tant qu'électrolyte. L'efficacité est d'environ 60 pour cent, et les températures de fonctionnement sont d'environ 1 000 degrés Celsius (environ 1800 degrés Fahrenheit). la production de cellules est de 100 kW. A ces températures élevées réformateur n'est pas nécessaire pour extraire l'hydrogène du combustible, et peut être recyclé la chaleur résiduelle pour produire de l'électricité supplémentaire. Cependant, la température élevée limite les applications des unités SOFC et ils ont tendance à être assez grand. Bien que des électrolytes solides ne peuvent pas fuir, ils peuvent se fissurer.