Réservoirs de carburant. Une vraie alternative aux centrales thermiques existantes

Vous ne surprendrez personne avec les panneaux solaires ou les éoliennes, qui produisent de l'électricité dans toutes les régions du monde. Mais la production de ces appareils n'est pas constante et il faut installer des sources d'alimentation de secours, ou se connecter au réseau pour produire de l'électricité pendant la période où les installations SER ne produisent pas d'électricité. Cependant, il existe des installations développées au XIXe siècle qui utilisent des combustibles « alternatifs » pour produire de l'électricité, c'est-à-dire qu'elles ne brûlent pas de gaz ou de produits pétroliers. Les piles à combustible sont de telles installations.

HISTOIRE DE LA CRÉATION

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

Référence : L'électrolyse de l'eau est le processus de décomposition de l'eau sous l'action d'un courant électrique en molécules d'hydrogène et d'oxygène

Après avoir déconnecté la batterie de la cellule électrolytique, il a été surpris de constater que les électrodes ont commencé à absorber le gaz dégagé et à générer du courant. La découverte du procédé de combustion électrochimique « à froid » de l'hydrogène est devenue un événement important dans l'industrie électrique. Plus tard, il a créé la batterie Grove. Cet appareil avait une électrode de platine immergée dans l'acide nitrique et une électrode de zinc dans du sulfate de zinc. Il générait un courant de 12 ampères et une tension de 8 volts. Grow lui-même a appelé cette construction "Batterie humide"... Il a ensuite créé une batterie à l'aide de deux électrodes de platine. Une extrémité de chaque électrode était dans de l'acide sulfurique et les autres extrémités étaient scellées dans des conteneurs d'hydrogène et d'oxygène. Il y avait un courant constant entre les électrodes et la quantité d'eau à l'intérieur des conteneurs augmentait. Grow a pu décomposer et améliorer l'eau de cet appareil.

"La batterie se développe"

(source : Société royale du Muséum national d'histoire naturelle)

Le terme "pile à combustible" (eng. "Fuel Cell") n'est apparu qu'en 1889 par L. Mond et
C. Langer, qui a essayé de créer un dispositif pour produire de l'électricité à partir de l'air et du gaz de charbon.

COMMENT ÇA FONCTIONNE?

La pile à combustible est un appareil relativement simple... Il possède deux électrodes : l'anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive). Une réaction chimique se produit sur les électrodes. Pour l'accélérer, la surface des électrodes est recouverte d'un catalyseur. TE sont équipés d'un élément supplémentaire - une membrane. La transformation de l'énergie chimique du combustible directement en électricité est due au travail de la membrane. Il sépare les deux chambres de la cellule, qui sont alimentées en combustible et en comburant. La membrane ne laisse passer d'une chambre à l'autre que les protons, qui sont obtenus à la suite de la séparation du combustible, sur une électrode recouverte d'un catalyseur (les électrons dans ce cas parcourent le circuit externe). Dans la deuxième chambre, les protons se réunissent avec des électrons (et des atomes d'oxygène) pour former de l'eau.

Comment fonctionne une pile à combustible à hydrogène

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

Lors d'une combustion normale dans l'oxygène, le carburant organique est oxydé et l'énergie chimique du carburant est convertie en énergie thermique. Voyons ce qui se passe lorsque l'hydrogène est oxydé par l'oxygène dans un environnement électrolytique et en présence d'électrodes.

En alimentant en hydrogène une électrode en milieu alcalin, une réaction chimique se produit :

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Comme vous pouvez le voir, nous obtenons des électrons qui, en passant par le circuit externe, pénètrent dans l'électrode opposée, à laquelle pénètre l'oxygène et où la réaction a lieu :

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

On peut voir que la réaction résultante 2H 2 + O 2 → H 2 O est la même que dans la combustion conventionnelle, mais un courant électrique et en partie de la chaleur sont produits dans une pile à combustible.

TYPES DE PILE À COMBUSTIBLE

Les piles à combustible sont classées selon le type d'électrolyte utilisé pour la réaction :

Notez que le charbon, le monoxyde de carbone, les alcools, l'hydrazine et d'autres substances organiques peuvent également être utilisés comme combustible dans les piles à combustible, et que l'air, le peroxyde d'hydrogène, le chlore, le brome, l'acide nitrique, etc. peuvent être utilisés comme oxydants.

EFFICACITÉ DES PILES À COMBUSTIBLE

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

Aide : efficacitéCycle Carnot est l'efficacité maximale possible parmi tous les moteurs thermiques avec les mêmes températures minimales et maximales.

Par conséquent, le rendement des piles à combustible peut en théorie être supérieur à 100 %. Beaucoup ont souri et pensé : « La machine à mouvement perpétuel signifie inventée ». Non, ici, cela vaut la peine de retourner au cours de chimie de l'école. Une pile à combustible est basée sur la conversion d'énergie chimique en énergie électrique. C'est là qu'interviennent les miracles. Certaines réactions chimiques au cours du cours peuvent absorber la chaleur de l'environnement.

Référence : Les réactions endothermiques sont des réactions chimiques accompagnées d'absorption de chaleur. Pour les réactions endothermiques, la variation d'enthalpie et d'énergie interne ont des valeurs positives (Δ H >0, Δ U > 0), ainsi, les produits de réaction contiennent plus d'énergie que les composants initiaux.

Un exemple d'une telle réaction est l'oxydation de l'hydrogène, qui est utilisé dans la plupart des piles à combustible. Par conséquent, théoriquement, le rendement peut être supérieur à 100 %. Mais aujourd'hui, les piles à combustible chauffent pendant le fonctionnement et ne peuvent pas absorber la chaleur de l'environnement.

Référence : Cette limitation est imposée par la deuxième loi de la thermodynamique. Le processus de transfert de chaleur d'un corps "froid" à un corps "chaud" n'est pas possible.

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

Référence: Dans les années quarante, l'ingénieur anglais T. Bacon a conçu et construit une batterie de piles à combustible d'une capacité totale de 6 kW et d'un rendement de 80 %, fonctionnant à l'hydrogène pur et à l'oxygène, mais le rapport poids/puissance de la batterie s'est avéré trop petit - de telles cellules étaient impropres à une utilisation pratique et trop chères (source : http://www.powerinfo.ru/).

PROBLÈMES DE PILE À COMBUSTIBLE

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

Il semble que la pile à combustible ait été découverte à la suite de l'électrolyse, vous pouvez donc utiliser l'hydrogène libéré à la suite de l'électrolyse. Mais examinons de plus près ce processus.

Selon la loi de Faraday : la quantité d'une substance qui est oxydée à l'anode ou réduite à la cathode est proportionnelle à la quantité d'électricité passée à travers l'électrolyte. Cela signifie que pour obtenir plus d'hydrogène, vous devez dépenser plus d'électricité. Les méthodes existantes d'électrolyse de l'eau ont une efficacité inférieure à l'unité. Ensuite, nous utilisons l'hydrogène obtenu dans des piles à combustible, où le rendement est également inférieur à l'unité. Par conséquent, nous dépenserons plus d'énergie que nous ne pouvons en générer.

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

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

Catalyseur

Pour augmenter la progression de la réaction dans le FC, la surface de l'anode est généralement un catalyseur. Jusqu'à récemment, le platine était utilisé comme catalyseur. Par conséquent, le coût de la pile à combustible était élevé. Deuxièmement, le platine est un métal relativement rare. Selon les experts, dans la production industrielle de piles à combustible, les réserves de platine explorées s'épuiseront dans 15 à 20 ans. Mais les scientifiques du monde entier essaient de remplacer le platine par d'autres matériaux. Soit dit en passant, certains d'entre eux ont obtenu de bons résultats. Les scientifiques chinois ont donc remplacé le platine par de l'oxyde de calcium (source : www.cheburek.net).

UTILISATION DE PILE À COMBUSTIBLE

Pour la première fois, une pile à combustible a été testée dans des véhicules à moteur en 1959. Le tracteur Alice-Chambers utilisait 1008 batteries pour son fonctionnement. Le carburant était un mélange de gaz, principalement du propane et de l'oxygène.

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

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

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

Déjà, des constructeurs automobiles tels que Honda, Ford, Nissan et Mercedes-Benz ont créé des véhicules à pile à combustible à hydrogène.

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

Lors de l'utilisation de voitures à hydrogène, le problème du stockage de l'hydrogène est résolu. La construction de stations-service à hydrogène permettra de faire le plein n'importe où. De plus, faire le plein d'hydrogène d'une voiture est plus rapide que de recharger une voiture électrique dans une station-service. Mais lors de la mise en œuvre de tels projets, nous avons été confrontés à un problème comme celui des véhicules électriques. Les gens sont prêts à "passer" à une voiture à hydrogène, s'il existe une infrastructure pour eux. Et la construction de stations-service commencera s'il y a un nombre suffisant de consommateurs. Par conséquent, nous sommes de nouveau venus au dilemme des œufs et du poulet.

Les piles à combustible sont largement utilisées dans les téléphones portables et les ordinateurs portables. Le temps est déjà passé où le téléphone était chargé une fois par semaine. Maintenant, le téléphone est rechargé presque tous les jours et l'ordinateur portable fonctionne sans réseau pendant 3 à 4 heures. Par conséquent, les fabricants de technologies mobiles ont décidé de synthétiser une pile à combustible avec des téléphones et des ordinateurs portables pour charger et travailler. Par exemple, la société Toshiba en 2003. a fait la démonstration d'un prototype fini d'une pile à combustible au méthanol. Il donne une puissance d'environ 100mW. Un remplissage de 2 cubes de méthanol concentré (99,5 %) suffit pour 20 heures de fonctionnement du lecteur MP3. Encore une fois, le même "Toshiba" a présenté une batterie pour ordinateurs portables mesurant 275x75x40mm, qui permet à l'ordinateur de fonctionner pendant 5 heures à partir d'un seul ravitaillement.

Mais certains fabricants sont allés plus loin. La société "PowerTrekk" a sorti un chargeur du même nom. Le PowerTrekk est le premier chargeur d'eau au monde. Il est très facile à utiliser. De l'eau doit être ajoutée au PowerTrekk pour fournir une alimentation instantanée via le câble USB. Cette pile à combustible contient de la poudre de silicium et du siliciure de sodium (NaSi) lorsqu'elle est mélangée à de l'eau, cette combinaison génère de l'hydrogène. L'hydrogène se mélange à l'air dans la pile à combustible elle-même et convertit l'hydrogène en électricité grâce à son échange membrane-protons, sans ventilateur ni pompe. Vous pouvez acheter un tel chargeur portable pour 149 € (

Pile à combustible- ce que c'est? Quand et comment est-il apparu ? Pourquoi est-ce nécessaire et pourquoi en parle-t-on si souvent à notre époque ? Quelles sont sa portée, ses caractéristiques et ses propriétés ? Des progrès imparables nécessitent des réponses à toutes ces questions !

Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?

Pile à combustible est une source chimique de courant ou un générateur électrochimique, un dispositif pour convertir l'énergie chimique en énergie électrique. Dans la vie moderne, les sources de courant chimiques sont utilisées partout et sont des batteries pour téléphones portables, ordinateurs portables, PDA, ainsi que des batteries rechargeables dans des voitures, des alimentations sans coupure, etc. La prochaine étape du développement de ce domaine sera l'ubiquité des piles à combustible et c'est déjà un fait irréfutable.

L'histoire des piles à combustible

L'histoire des piles à combustible est une autre histoire sur la façon dont les propriétés de la matière, une fois découvertes sur Terre, ont trouvé une large application loin dans l'espace et, au tournant du millénaire, sont revenues du ciel sur Terre.

Tout a commencé en 1839 lorsque le chimiste allemand Christian Schönbein a publié les principes de la pile à combustible dans le Philosophical Journal. La même année, un Anglais, diplômé d'Oxford, William Robert Grove a conçu une cellule galvanique, appelée plus tard la cellule galvanique de Grove, elle est également reconnue comme la première pile à combustible. Le nom même de "pile à combustible" a été présenté à l'invention l'année de son anniversaire - en 1889. Ludwig Mond et Karl Langer sont les auteurs du terme.

Un peu plus tôt, en 1874, Jules Verne avait prédit la situation énergétique actuelle dans son roman « L'île mystérieuse », écrivant que « L'eau servira un jour de combustible, on utilisera l'hydrogène et l'oxygène qui la composent ».

Pendant ce temps, la nouvelle technologie d'alimentation s'est progressivement améliorée et depuis les années 50 du XXe siècle, pas une année ne s'est écoulée sans l'annonce des dernières inventions dans ce domaine. En 1958, le premier tracteur à pile à combustible fait son apparition aux États-Unis, en 1959. une alimentation de 5kW pour une machine à souder a été libérée, etc. Dans les années 70, la technologie de l'hydrogène prend son envol dans l'espace : les avions et les moteurs-fusées à hydrogène font leur apparition. Dans les années 60, RSC Energia a développé des piles à combustible pour le programme lunaire soviétique. Le programme Bourane ne s'en est pas non plus passé : des piles à combustible alcalines de 10 kW ont été développées. Et vers la fin du siècle, les piles à combustible ont franchi l'altitude zéro au-dessus du niveau de la mer - sur leur base, source de courant sous-marin allemand. De retour sur Terre, la première locomotive a été mise en service aux États-Unis en 2009. Naturellement, sur les piles à combustible.

Ce qui est intéressant dans la belle histoire des piles à combustible, c'est que la roue est toujours une invention sans précédent dans la nature. Le fait est qu'en termes de structure et de principe de fonctionnement, les piles à combustible sont similaires à une pile biologique, qui est en fait une pile à combustible miniature à hydrogène-oxygène. En conséquence, l'homme a une fois de plus inventé ce que la nature utilise depuis des millions d'années.

Comment fonctionnent les piles à combustible

Le principe de fonctionnement des piles à combustible est évident dès le programme scolaire de chimie, et c'est lui qui a été posé dans les expériences de William Grove en 1839. Le fait est que le processus d'électrolyse de l'eau (dissociation de l'eau) est réversible. De même qu'il est vrai que lorsqu'un courant électrique traverse l'eau, celle-ci se divise en hydrogène et en oxygène, l'inverse est également vrai : l'hydrogène et l'oxygène peuvent se combiner pour produire de l'eau et de l'électricité. Dans l'expérience de Grove, deux électrodes ont été placées dans une chambre dans laquelle des portions limitées d'hydrogène pur et d'oxygène ont été fournies sous pression. En raison des faibles volumes de gaz, ainsi qu'en raison des propriétés chimiques des électrodes en carbone, une réaction lente a eu lieu dans la chambre avec le dégagement de chaleur, d'eau et, surtout, avec la formation d'une différence de potentiel entre les électrodes .

La pile à combustible la plus simple consiste en une membrane spéciale utilisée comme électrolyte, des deux côtés de laquelle des électrodes en poudre sont appliquées. L'hydrogène va d'un côté (anode) et l'oxygène (air) de l'autre (cathode). Différentes réactions chimiques ont lieu à chaque électrode. A l'anode, l'hydrogène se désintègre en un mélange de protons et d'électrons. Dans certaines piles à combustible, les électrodes sont entourées d'un catalyseur, généralement constitué de platine ou d'autres métaux nobles qui facilitent la réaction de dissociation :

2H 2 → 4H + + 4e -

où H 2 est une molécule d'hydrogène diatomique (la forme sous laquelle l'hydrogène est présent sous forme de gaz); H + - hydrogène ionisé (proton); e - - électron.

Du côté cathode de la pile à combustible, les protons (passés à travers l'électrolyte) et les électrons (qui sont passés à travers une charge externe) se réunissent et réagissent avec l'oxygène fourni à la cathode pour former de l'eau :

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Réaction totale dans une pile à combustible, cela s'écrit comme ceci :

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Le fonctionnement d'une pile à combustible repose sur le fait que l'électrolyte fait passer des protons à travers lui-même (vers la cathode), mais pas les électrons. Les électrons se déplacent vers la cathode le long d'un circuit conducteur externe. Ce mouvement d'électrons est un courant électrique qui peut être utilisé pour entraîner un appareil externe connecté à une pile à combustible (charge, par exemple, une ampoule) :

Les piles à combustible utilisent de l'hydrogène et de l'oxygène dans leur travail. Le moyen le plus simple est avec l'oxygène - il est extrait de l'air. L'hydrogène peut être fourni directement à partir d'un conteneur ou en le séparant d'une source de carburant externe (gaz naturel, essence ou alcool méthylique - méthanol). Dans le cas d'une source externe, elle doit être convertie chimiquement pour en extraire l'hydrogène. Actuellement, la plupart des technologies de piles à combustible développées pour les appareils portables utilisent du méthanol.

Caractéristiques de la pile à combustible

Les piles à combustible sont analogues aux batteries existantes en ce sens que dans les deux cas, l'énergie électrique est obtenue à partir d'énergie chimique. Mais il y a aussi des différences fondamentales :

ils ne fonctionnent que tant que le combustible et le comburant proviennent d'une source externe (c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas stocker d'énergie électrique),
la composition chimique de l'électrolyte ne change pas pendant le fonctionnement (la pile à combustible n'a pas besoin d'être rechargée),
elles sont totalement indépendantes de l'électricité (alors que les batteries conventionnelles stockent l'énergie du secteur).

Chaque pile à combustible crée tension en 1V... Une plus grande tension est obtenue en les connectant en série. L'augmentation de la puissance (courant) est réalisée grâce à la connexion en parallèle de cascades de piles à combustible connectées en série.

Réservoirs de carburant pas de limite stricte sur l'efficacité comme dans les moteurs thermiques (le rendement du cycle de Carnot est le rendement maximal possible parmi tous les moteurs thermiques ayant les mêmes températures minimale et maximale).

Haute efficacité obtenu grâce à la conversion directe de l'énergie du combustible en électricité. Si le carburant est d'abord brûlé dans un groupe électrogène diesel, la vapeur ou le gaz qui en résulte entraîne une turbine ou l'arbre d'un moteur à combustion interne, qui à son tour entraîne un générateur électrique. Le résultat est une efficacité de maximum 42%, le plus souvent elle est d'environ 35-38%. De plus, en raison de la multitude de liens, ainsi qu'en raison des limitations thermodynamiques sur l'efficacité maximale des moteurs thermiques, l'efficacité existante est peu susceptible d'être augmentée plus haut. Piles à combustible existantes L'efficacité est de 60-80%,

Efficacité presque ne dépend pas du facteur de charge,

La capacité est plusieurs fois supérieure que dans les batteries existantes,

Compléter pas d'émissions nocives pour l'environnement... Seules de la vapeur d'eau propre et de l'énergie thermique sont libérées (contrairement aux groupes électrogènes diesel, qui ont des émissions de gaz d'échappement polluantes et nécessitent leur élimination).

Types de piles à combustible

Réservoirs de carburant classifié pour les motifs suivants :

par le carburant utilisé,

par pression et température de service,

par la nature de la demande.

En général, on distingue les éléments suivants types de piles à combustible:

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC);

Pile à combustible réversible (RFC)

Pile à combustible à méthanol direct (DMFC) ;

Piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) ;

Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC);

Piles à combustible alcalines (AFC).

L'un des types de piles à combustible fonctionnant à des températures et pressions normales utilisant de l'hydrogène et de l'oxygène sont les piles à membrane échangeuse d'ions. L'eau résultante ne dissout pas l'électrolyte solide, s'écoule et se décharge facilement.

Problèmes de pile à combustible

Le principal problème des piles à combustible est lié au besoin d'hydrogène « emballé », qui pourrait être acheté librement. Évidemment, le problème devrait être résolu avec le temps, mais jusqu'à présent, la situation provoque un léger sourire : qu'est-ce qui vient en premier - la poule ou l'œuf ? Les piles à combustible ne sont pas encore assez avancées pour construire des usines d'hydrogène, mais leur progrès est impensable sans ces usines. On note ici le problème de la source d'hydrogène. Pour le moment, l'hydrogène est obtenu à partir du gaz naturel, mais l'augmentation du coût des vecteurs énergétiques va également augmenter le prix de l'hydrogène. Dans ce cas, la présence de CO et de H 2 S (hydrogène sulfuré) dans l'hydrogène du gaz naturel est inévitable, ce qui empoisonne le catalyseur.

Les catalyseurs au platine courants utilisent un métal très coûteux et naturellement irremplaçable - le platine. Cependant, il est prévu de résoudre ce problème en utilisant des catalyseurs à base d'enzymes, qui sont des substances bon marché et faciles à produire.

La chaleur générée est également un problème. L'efficacité augmentera fortement si la chaleur générée est dirigée dans un canal utile - pour produire de l'énergie thermique pour le système d'alimentation en chaleur, utilisez-la comme chaleur perdue dans l'absorption machines de réfrigération etc.

Piles à combustible au méthanol (DMFC) : applications réelles

Les piles à combustible à méthanol direct (DMFC) présentent aujourd'hui le plus grand intérêt pratique. Un ordinateur portable Portégé M100 alimenté par une pile à combustible DMFC ressemble à ceci :

Un circuit typique d'un élément DMFC contient, en plus de l'anode, de la cathode et de la membrane, plusieurs composants supplémentaires : une cartouche de carburant, un capteur de méthanol, une pompe de circulation de carburant, une pompe à air, un échangeur de chaleur, etc.

La durée de fonctionnement, par exemple, d'un ordinateur portable par rapport aux batteries devrait être multipliée par 4 (jusqu'à 20 heures), un téléphone portable - jusqu'à 100 heures en mode actif et jusqu'à six mois en mode veille. La recharge s'effectuera en ajoutant une partie de méthanol liquide.

La tâche principale est de rechercher des options pour utiliser la solution de méthanol avec sa concentration la plus élevée. Le problème est que le méthanol est un poison assez puissant, mortel à des doses de plusieurs dizaines de grammes. Mais la concentration de méthanol affecte directement la durée du travail. Si auparavant une solution de méthanol à 3-10 % était utilisée, alors les téléphones portables et PDA utilisant une solution à 50 % sont déjà apparus, et en 2008, dans des conditions de laboratoire, MTI MicroFuel Cells et, un peu plus tard, les spécialistes de Toshiba ont obtenu des piles à combustible fonctionnant sur méthanol pur.

Les piles à combustible, c'est l'avenir !

Enfin, la preuve du grand avenir des piles à combustible est attestée par le fait que l'organisation internationale IEC (International Electrotechnical Commission), qui définit les normes industrielles pour les appareils électroniques, a déjà annoncé la création d'un groupe de travail pour développer une norme internationale pour piles à combustible miniatures.

Avantages des piles à combustible / piles

Une pile à combustible/pile est un dispositif qui génère efficacement du courant continu et de la chaleur à partir d'un combustible riche en hydrogène par le biais d'une réaction électrochimique.

Une pile à combustible est similaire à une batterie en ce sens qu'elle génère du courant continu par le biais d'une réaction chimique. La pile à combustible comprend une anode, une cathode et un électrolyte. Cependant, contrairement aux batteries, les piles à combustible ne peuvent pas stocker d'énergie électrique, ne se déchargent pas et ne nécessitent pas d'électricité pour se recharger. Les piles à combustible peuvent produire de l'électricité en continu tant qu'elles disposent d'un approvisionnement en combustible et en air.

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

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

Pile à combustible / histoire du développement de la pile

Dans les années 1950 et 1960, l'une des tâches les plus difficiles pour les piles à combustible est née du besoin de sources d'énergie de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) pour les missions spatiales à long terme. La pile à combustible alcaline de la NASA utilise de l'hydrogène et de l'oxygène comme combustible, combinant les deux dans une réaction électrochimique. La sortie est trois sous-produits utiles de la réaction dans le vol spatial - l'électricité pour alimenter le vaisseau spatial, l'eau pour les systèmes de boisson et de refroidissement, et la chaleur pour garder les astronautes au chaud.

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

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

L'intérêt s'est accru dans les années 50 et 60, mais aussi dans les années 80, lorsque le monde industriel a connu une pénurie de fioul. Au cours de la même période, les pays du monde se sont également préoccupés du problème de la pollution de l'air et ont envisagé des méthodes de production d'électricité respectueuses de l'environnement. Actuellement, la technologie de production de piles/piles à combustible connaît une étape de développement rapide.

Comment fonctionnent les piles à combustible

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

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

Voici la réaction correspondante :

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

Types et variété de piles à combustible / piles

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

Piles à combustible / piles sur carbonate fondu (RKTE)

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

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

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

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

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

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

Piles à combustible à acide phosphorique (FCTE)

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

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

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

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

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

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

Des centrales thermiques d'une puissance électrique de sortie allant jusqu'à 500 kW sont produites industriellement. Les unités de 11 MW ont été testées en conséquence. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 100 MW sont en cours de développement.

Piles / piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide sont les piles à combustible ayant la température de fonctionnement la plus élevée. La température de fonctionnement peut varier de 600°C à 1000°C, ce qui permet d'utiliser différents types de carburant sans prétraitement particulier. Pour faire face à ces températures élevées, l'électrolyte utilisé est un oxyde métallique solide fin à base de céramique, souvent un alliage d'yttrium et de zirconium, conducteur des ions oxygène (O 2-).

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

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

L'efficacité de l'énergie électrique générée est la plus élevée de toutes les piles à combustible - environ 60 à 70 %. Des températures de fonctionnement élevées permettent à la production combinée de chaleur et d'électricité de générer de la vapeur à haute pression. L'association d'une pile à combustible haute température à une turbine permet de créer une pile à combustible hybride permettant d'augmenter jusqu'à 75 % le rendement de la production d'électricité.

Les piles à combustible à oxyde solide fonctionnent à des températures très élevées (600°C – 1000°C), ce qui prend beaucoup de temps pour atteindre des conditions de fonctionnement optimales, et le système réagit plus lentement aux changements de consommation d'énergie. À de telles températures de fonctionnement élevées, un convertisseur n'est pas nécessaire pour récupérer l'hydrogène du combustible, ce qui permet à la centrale thermique de fonctionner avec des combustibles relativement impurs résultant de la gazéification du charbon ou des gaz résiduaires et similaires. De plus, cette pile à combustible est excellente pour le fonctionnement à haute puissance, y compris les centrales électriques industrielles et les grandes centrales. Des modules d'une puissance électrique de sortie de 100 kW sont produits commercialement.

Piles à combustible / Piles à oxydation directe du méthanol (POMTE)

La technologie d'utilisation de piles à combustible avec oxydation directe du méthanol connaît actuellement une période de développement actif. Elle s'est imposée avec succès dans le domaine de l'alimentation des téléphones portables, des ordinateurs portables, ainsi que dans la création de sources d'alimentation portables. à quoi vise l'utilisation future de ces éléments.

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

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

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

Piles à combustible alcalines / piles (SHFC)

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

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

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

L'avantage des SHFC est que ces piles à combustible sont les moins chères à fabriquer, car le catalyseur nécessaire sur les électrodes peut être n'importe laquelle des substances moins chères que celles utilisées comme catalyseurs pour d'autres piles à combustible. Les SCFC fonctionnent à une température relativement basse et sont l'une des piles à combustible les plus efficaces - de telles caractéristiques peuvent donc contribuer à l'accélération de la production d'électricité et à un rendement énergétique élevé.

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

Piles à combustible à électrolyte polymère (PETE)

Dans le cas des piles à combustible à électrolyte polymère, la membrane polymère est constituée de fibres polymères avec des régions d'eau dans lesquelles la conductivité des ions d'eau (H 2 O + (proton, rouge) est attaché à la molécule d'eau) existe. Les molécules d'eau posent un problème en raison de leur échange d'ions lent. Par conséquent, une forte concentration d'eau est requise à la fois dans le carburant et au niveau des électrodes de sortie, ce qui limite la température de fonctionnement à 100 ° C.

Piles à combustible à acide solide (TFCF)

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

Divers modules de pile à combustible. Pile à combustible

Pile à combustible
Autres équipements fonctionnant à haute température (générateur de vapeur intégré, chambre de combustion, changeur de bilan thermique)
Isolation résistante à la chaleur

Module pile à combustible

Analyse comparative des types et variétés de piles à combustible

Les centrales thermiques et électriques municipales innovantes et écoénergétiques sont généralement construites sur des piles à combustible à oxyde solide (SOFC), des piles à combustible à électrolyte polymère (PETF), des piles à combustible à acide phosphorique (PFC), des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MOPFC) et des piles à combustible alcalines ( PSFC) ... Ils ont généralement les caractéristiques suivantes :

Les plus appropriées devraient être reconnues comme étant les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), qui :

travailler à une température plus élevée, ce qui réduit le besoin de métaux précieux coûteux (comme le platine)
peut fonctionner avec divers types de combustibles hydrocarbonés, principalement le gaz naturel
ont un temps de démarrage plus long et sont donc mieux adaptés à une action à long terme
démontrer une efficacité élevée de la production d'électricité (jusqu'à 70%)
en raison des températures de fonctionnement élevées, les unités peuvent être combinées avec des systèmes de récupération de chaleur, ce qui porte l'efficacité globale du système jusqu'à 85%
ont pratiquement aucune émission, fonctionnent silencieusement et ont de faibles exigences opérationnelles par rapport aux technologies de production d'électricité existantes

Type de pile à combustible	Température de fonctionnement	Efficacité de la production d'électricité	Type de carburant	Champ d'application
RKTE	550-700°C	50-70%		Moyennes et grandes installations
FKTE	100-220°C	35-40%	Hydrogène pur	Grandes installations
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations
SOFC	450-1000°C	45-70%	La plupart des hydrocarbures	Petites, moyennes et grandes installations
POMTE	20-90 °C	20-30%	Méthanol	Portable
SHTE	50-200°C	40-70%	Hydrogène pur	Exploration de l'espace
PETE	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations

Étant donné que les petites centrales de cogénération peuvent être connectées à un réseau d'approvisionnement en gaz conventionnel, les piles à combustible n'ont pas besoin d'un système d'approvisionnement en hydrogène séparé. Lors de l'utilisation de petites unités de cogénération à pile à combustible à oxyde solide, la chaleur générée peut être intégrée dans des échangeurs de chaleur pour chauffer l'eau et l'air de ventilation, augmentant ainsi l'efficacité globale du système. Cette technologie innovante est la mieux adaptée pour une production d'électricité efficace sans avoir besoin d'une infrastructure coûteuse et d'une intégration d'appareils complexes.

Pile à combustible / Applications de pile

Pile à combustible / Applications de pile dans les systèmes de télécommunication

Avec la prolifération des systèmes de communication sans fil dans le monde et les avantages socio-économiques croissants de la technologie de la téléphonie mobile, le besoin d'une alimentation de secours fiable et rentable est devenu critique. Les pertes de réseau tout au long de l'année dues aux intempéries, aux catastrophes naturelles ou à la capacité limitée du réseau constituent un défi permanent pour les gestionnaires de réseau.

Les solutions de secours traditionnelles pour les télécommunications comprennent des batteries (batterie au plomb-acide régulée par soupape) pour une sauvegarde à court terme et des générateurs diesel et propane pour une sauvegarde plus longue. Les batteries sont une source d'alimentation de secours relativement peu coûteuse pendant 1 à 2 heures. Cependant, les batteries ne conviennent pas à une alimentation de secours plus longue car elles sont coûteuses à entretenir, deviennent peu fiables après de longues périodes d'utilisation, sont sensibles à la température et sont dangereuses pour l'environnement après élimination. Les génératrices au diesel et au propane peuvent fournir une alimentation de secours continue. Cependant, les générateurs peuvent ne pas être fiables, nécessiter une maintenance fastidieuse et émettre des niveaux élevés de pollution et de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Pour répondre aux limites des solutions d'alimentation de secours traditionnelles, une technologie innovante de pile à combustible verte a été développée. Les piles à combustible sont fiables, silencieuses, contiennent moins de pièces mobiles qu'un générateur, ont une plage de températures de fonctionnement plus large qu'une batterie, de -40°C à +50°C, et, par conséquent, offrent des niveaux d'économie d'énergie extrêmement élevés. De plus, le coût du cycle de vie d'une telle installation est inférieur à celui d'un générateur. Les coûts inférieurs des piles à combustible sont le résultat d'une seule visite de maintenance par an et d'une performance nettement plus élevée de l'usine. Après tout, une pile à combustible est une solution de technologie verte avec un impact environnemental minimal.

Les unités de pile à combustible fournissent une alimentation de secours pour les infrastructures de réseau de communication critiques pour les télécommunications sans fil, permanentes et à large bande, allant de 250 W à 15 kW, offrant de nombreuses fonctionnalités innovantes inégalées :

FIABILITÉ- peu de pièces mobiles et aucune décharge en mode veille
ÉCONOMIE D'ÉNERGIE
SILENCE- faible niveau sonore
DURABILITÉ- plage de fonctionnement de -40°C à +50°C
ADAPTABILITÉ- installation extérieure et intérieure (conteneur / conteneur de protection)
HAUTE PUISSANCE- jusqu'à 15 kW
FAIBLES BESOINS D'ENTRETIEN- entretien minimum annuel
EFFICACITÉ- un coût total de possession attractif
ÉNERGIE RESPECTUEUSE DE L'ENVIRONNEMENT- faibles émissions avec un impact environnemental minimal

Le système détecte la tension du bus CC à tout moment et accepte en douceur les charges critiques si la tension du bus CC tombe en dessous d'une valeur prédéfinie définie par l'utilisateur. Le système fonctionne à l'hydrogène, qui pénètre dans la pile à combustible de deux manières - soit à partir d'une source d'hydrogène industrielle, soit à partir de carburants liquides à partir de méthanol et d'eau, à l'aide d'un système de reformage intégré.

L'électricité est produite par la pile à combustible sous forme de courant continu. Le courant continu est transmis à un convertisseur, qui convertit le courant continu non régulé de la pile à combustible en un courant continu régulé de haute qualité pour les charges requises. L'installation de pile à combustible peut fournir une alimentation de secours pendant plusieurs jours, car la durée de fonctionnement n'est limitée que par la quantité de carburant hydrogène ou méthanol/eau en stock.

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

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

Les piles à combustible ne produisent de l'énergie que lorsque le combustible est fourni, comme un générateur à turbine à gaz, mais n'ont aucune pièce mobile dans la zone de génération. Par conséquent, contrairement à un générateur, ils ne sont pas soumis à une usure rapide et ne nécessitent pas un entretien et une lubrification constants.

Le carburant utilisé pour entraîner le convertisseur de carburant à fonctionnement prolongé est un mélange de carburant méthanol/eau. Le méthanol est un carburant largement disponible dans le commerce qui a actuellement de nombreuses utilisations, y compris les lave-glaces, les bouteilles en plastique, les additifs pour moteur et les peintures en émulsion. Le méthanol est facile à transporter, peut être miscible à l'eau, a une bonne biodégradabilité et ne contient pas de soufre. Il a un point de congélation bas (-71°C) et ne se dégrade pas lorsqu'il est conservé longtemps.

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

Les réseaux de communication sécurisés nécessitent des solutions d'alimentation de secours fiables qui peuvent fonctionner pendant des heures ou des jours en cas d'urgence si le réseau électrique n'est plus disponible.

Avec peu de pièces mobiles et aucun déclassement en mode veille, la technologie innovante de pile à combustible offre une solution attrayante par rapport aux systèmes d'alimentation de secours actuels.

La raison la plus impérieuse d'utiliser la technologie des piles à combustible dans les réseaux de communication est la fiabilité et la sécurité globales accrues. Lors d'incidents tels que des pannes de courant, des tremblements de terre, des tempêtes et des ouragans, il est important que les systèmes continuent de fonctionner et disposent d'une alimentation de secours fiable pendant une période prolongée, quelle que soit la température ou la durée de vie du système d'alimentation de secours.

La gamme d'alimentations à pile à combustible est idéale pour prendre en charge des réseaux de communication sécurisés. Grâce à leurs principes d'économie d'énergie, ils fournissent une alimentation de secours fiable et respectueuse de l'environnement avec une autonomie prolongée (jusqu'à plusieurs jours) pour une utilisation dans la plage de puissance de 250 W à 15 kW.

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

Une alimentation électrique fiable pour les réseaux de données tels que les réseaux de données à haut débit et les dorsales à fibre optique est d'une importance capitale dans le monde entier. Les informations transmises sur ces réseaux contiennent des données critiques pour des institutions telles que des banques, des compagnies aériennes ou des centres médicaux. Les pannes de courant dans de tels réseaux représentent non seulement un danger pour les informations transmises, mais, en règle générale, entraînent des pertes financières importantes. Des installations de piles à combustible fiables et innovantes avec alimentation de secours offrent la fiabilité dont vous avez besoin pour garantir une alimentation ininterrompue.

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

Caractéristiques typiques du site pour l'utilisation d'installations de piles à combustible dans les réseaux de données :

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

Les installations de secours à pile à combustible offrent de nombreux avantages pour les infrastructures de réseau de données critiques par rapport aux batteries autonomes traditionnelles ou aux générateurs diesel, permettant une utilisation accrue sur le terrain :

La technologie des combustibles liquides résout le problème du stockage de l'hydrogène et offre un fonctionnement pratiquement illimité de l'alimentation de secours.
En raison de leur fonctionnement silencieux, de leur faible poids, de leur résistance aux températures extrêmes et de leur fonctionnement pratiquement sans vibration, les piles à combustible peuvent être installées à l'extérieur du bâtiment, dans des locaux/conteneurs industriels ou sur des toits.
La préparation sur site pour l'utilisation du système est rapide et économique, et le coût d'exploitation est faible.
Le carburant est biodégradable et offre une solution respectueuse de l'environnement pour les environnements urbains.

L'utilisation de piles à combustible/cellules dans les systèmes de sécurité

Les systèmes de sécurité et de communication des bâtiments les plus sophistiqués sont aussi fiables que l'alimentation électrique qui les fait fonctionner. Alors que la plupart des systèmes incluent un certain type d'onduleur pour les pertes de puissance à court terme, ils ne créent pas les conditions pour des pannes de courant plus longues à la suite de catastrophes naturelles ou d'attaques terroristes. Cela peut être un problème critique pour de nombreuses entreprises et agences gouvernementales.

Les systèmes vitaux tels que les systèmes de vidéosurveillance et de contrôle d'accès (lecteurs de cartes d'identité, dispositifs de fermeture de portes, techniques d'identification biométrique, etc.), les systèmes automatiques d'alarme et d'extinction d'incendie, les systèmes de contrôle d'ascenseur et les réseaux de télécommunications, sont menacés en l'absence d'un source d'alimentation continue alternative fiable.

Les générateurs diesel font beaucoup de bruit, sont difficiles à placer et sont bien connus pour leur fiabilité et leurs problèmes d'entretien. En revanche, une installation de pile à combustible fournissant une alimentation de secours est silencieuse, fiable, a des émissions nulles ou très faibles et est facile à installer sur un toit ou à l'extérieur d'un bâtiment. Il ne s'épuise pas et ne perd pas de puissance en mode veille. Il garantit que les systèmes critiques continuent de fonctionner même après la fermeture de l'installation et l'abandon du bâtiment.

Les installations de piles à combustible innovantes protègent les investissements précieux dans les applications critiques. Ils fournissent une alimentation de secours écologique, fiable et de longue durée (jusqu'à plusieurs jours) pour une utilisation dans la plage de puissance de 250 W à 15 kW, combinée à de nombreuses fonctionnalités inégalées et à des économies d'énergie particulièrement élevées.

Les centrales électriques de secours à pile à combustible offrent de nombreux avantages pour une utilisation dans des applications critiques telles que les systèmes de sécurité et de gestion des bâtiments par rapport aux batteries autonomes traditionnelles ou aux générateurs diesel. La technologie des combustibles liquides résout le problème du stockage de l'hydrogène et offre un fonctionnement pratiquement illimité de l'alimentation de secours.

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

Les piles à combustible à oxyde solide (SFC) sont utilisées pour construire des centrales thermiques fiables, écoénergétiques et sans émissions pour produire de l'électricité et de la chaleur à partir de gaz naturel largement disponible et de sources de combustibles renouvelables. Ces unités innovantes sont utilisées dans une grande variété de marchés, de la production d'électricité à domicile à la fourniture d'électricité aux zones reculées, ainsi que les alimentations auxiliaires.

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

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

La figure ci-dessous montre les pertes d'efficacité de la production d'électricité lorsqu'elle est générée dans des centrales de cogénération et transmise aux maisons via les réseaux de transport d'électricité traditionnels en usage actuellement. Les pertes d'efficacité de la production centralisée comprennent les pertes de la centrale électrique, la transmission à basse et haute tension et les pertes de distribution.

La figure montre les résultats de l'intégration de petites centrales thermiques : l'électricité est produite avec une efficacité de production allant jusqu'à 60 % au point d'utilisation. En plus de cela, le ménage peut utiliser la chaleur générée par les piles à combustible pour chauffer l'eau et les locaux, ce qui augmente l'efficacité énergétique globale du combustible et augmente le niveau d'économie d'énergie.

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

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

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

L'un des principaux avantages des centrales à piles à combustible est qu'elles peuvent fonctionner de manière fiable et stable avec des gaz de pétrole associés variables. En raison de la réaction chimique sans flamme sous-jacente au fonctionnement de la pile à combustible, une diminution du pourcentage, par exemple, de méthane ne provoque qu'une diminution correspondante de la puissance de sortie.
Flexibilité par rapport à la charge électrique des consommateurs, chute, surtension de charge.
Pour l'installation et le raccordement de centrales thermiques et électriques sur piles à combustible, leur mise en œuvre ne nécessite pas de dépenses d'investissement, car les unités sont facilement montées sur des sites non préparés à proximité des champs, sont pratiques à utiliser, fiables et efficaces.
Une automatisation élevée et une télécommande moderne ne nécessitent pas la présence constante de personnel sur l'installation.
Simplicité et perfection technique de la conception : l'absence de pièces mobiles, de frictions, de systèmes de lubrification apporte des bénéfices économiques importants du fonctionnement des installations de pile à combustible.
Consommation d'eau : aucune à des températures ambiantes jusqu'à +30°C et négligeable à des températures plus élevées.
Sortie d'eau : absente.
De plus, les centrales de cogénération à pile à combustible ne font pas de bruit, ne vibrent pas, ne pas donner d'émissions nocives dans l'atmosphère

Les experts en énergie soulignent que dans la plupart des pays développés, l'intérêt pour les sources d'énergie distribuées de puissance relativement faible augmente rapidement. Les principaux avantages de ces centrales électriques autonomes sont des coûts d'investissement modérés lors de la construction, une mise en service rapide, une maintenance relativement facile et de bonnes performances environnementales. Avec un système d'alimentation autonome, les investissements dans les lignes électriques et les sous-stations ne sont pas nécessaires. L'emplacement des sources d'énergie autonomes directement aux points de consommation élimine non seulement les pertes dans les réseaux, mais augmente également la fiabilité de l'alimentation électrique.

Les sources d'énergie autonomes telles que les petites unités de turbine à gaz (unités de turbine à gaz), les moteurs à combustion interne, les éoliennes et les cellules solaires à semi-conducteur sont bien connues.

Contrairement aux moteurs à combustion interne ou aux turbines alimentées au charbon/gaz, les piles à combustible ne brûlent pas de carburant. Ils convertissent l'énergie chimique du carburant en électricité par une réaction chimique. Par conséquent, les piles à combustible ne produisent pas de grandes quantités de gaz à effet de serre provenant de la combustion de combustibles, tels que le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et l'oxyde d'azote (NOx). Les émissions des piles à combustible sont de l'eau sous forme de vapeur et de faibles niveaux de dioxyde de carbone (ou aucune émission de CO2) si l'hydrogène est utilisé comme combustible pour les piles. De plus, les piles à combustible fonctionnent silencieusement car elles ne comprennent pas de rotors haute pression bruyants et il n'y a pas de bruit d'échappement ni de vibration pendant le fonctionnement.

Une pile à combustible convertit l'énergie chimique d'un combustible en électricité par une réaction chimique avec l'oxygène ou un autre agent oxydant. Les piles à combustible se composent d'une anode (côté négatif), d'une cathode (côté positif) et d'un électrolyte qui permet aux charges de se déplacer entre les deux côtés d'une pile à combustible (Figure : diagramme schématique de la pile à combustible).

Les électrons voyagent de l'anode à la cathode à travers la boucle externe, créant de l'électricité CC. Étant donné que la principale différence entre les différents types de piles à combustible est l'électrolyte, les piles à combustible sont subdivisées en fonction du type d'électrolyte utilisé, c'est-à-dire piles à combustible haute et basse température (TEPM, PMTE). L'hydrogène est le carburant le plus courant, mais des hydrocarbures tels que le gaz naturel et les alcools (c'est-à-dire le méthanol) peuvent parfois également être utilisés. Les piles à combustible diffèrent des batteries en ce qu'elles nécessitent une source constante de combustible et d'oxygène/air pour maintenir une réaction chimique, et elles produisent de l'électricité tant qu'elles sont alimentées.

Les piles à combustible offrent les avantages suivants par rapport aux sources d'énergie conventionnelles telles que les moteurs à combustion ou les batteries :

Les piles à combustible sont plus efficaces que les moteurs diesel ou à gaz.
La plupart des piles à combustible fonctionnent silencieusement par rapport aux moteurs à combustion interne. Par conséquent, ils conviennent aux bâtiments ayant des exigences particulières, tels que les hôpitaux.
Les piles à combustible n'entraînent pas de pollution causée par la combustion de combustibles fossiles ; par exemple, seule l'eau est un sous-produit des piles à combustible à hydrogène.
Si l'hydrogène est produit par électrolyse de l'eau fournie par une source d'énergie renouvelable, alors lors de l'utilisation de piles à combustible, aucun gaz à effet de serre n'est émis tout au long du cycle.
Les piles à combustible ne nécessitent pas de combustibles conventionnels tels que le pétrole ou le gaz, vous pouvez donc vous débarrasser de la dépendance économique vis-à-vis des pays producteurs de pétrole et offrir une plus grande sécurité énergétique.
Les piles à combustible ne dépendent pas des réseaux électriques, car l'hydrogène peut être produit partout où il y a de l'eau et de l'électricité, et le carburant produit peut être distribué.
Lors de l'utilisation de piles à combustible fixes pour la production d'énergie au point de consommation, des réseaux énergétiques décentralisés peuvent être utilisés, qui sont potentiellement plus stables.
Les piles à combustible à basse température (TEPM, PMTE) ont un faible transfert de chaleur, ce qui les rend idéales pour une variété d'applications.
Les piles à combustible à haute température produisent une énergie thermique de procédé de haute qualité avec de l'électricité et sont bien adaptées à la cogénération (comme la production combinée de chaleur et d'électricité pour les bâtiments résidentiels).
La durée de fonctionnement est nettement plus longue que la durée de fonctionnement des batteries, car seule plus de carburant est nécessaire pour augmenter la durée de fonctionnement, et aucune augmentation de la productivité de l'usine n'est requise.
Contrairement aux batteries, les piles à combustible ont un « effet mémoire » lorsqu'elles sont rechargées.
Les piles à combustible sont faciles à entretenir car elles n'ont pas de grandes pièces mobiles.

Le combustible le plus courant pour les piles à combustible est l'hydrogène, car il n'émet pas de polluants nocifs. Cependant, d'autres combustibles peuvent être utilisés et les piles à combustible au gaz naturel sont considérées comme une alternative efficace lorsque le gaz naturel est disponible à des prix compétitifs. Dans les piles à combustible, le flux de combustible et d'oxydants passe à travers des électrodes séparées par un électrolyte. Cela provoque une réaction chimique qui produit de l'électricité; il ne nécessite pas de brûler du combustible ou d'ajouter de l'énergie thermique, ce qui est généralement le cas avec les méthodes traditionnelles de production d'électricité. Lorsque l'hydrogène pur naturel est utilisé comme combustible et que l'oxygène est utilisé comme comburant, à la suite de la réaction qui a lieu dans une pile à combustible, de l'eau, de l'énergie thermique et de l'électricité sont générées. Lorsqu'elles sont utilisées avec d'autres combustibles, les piles à combustible émettent de très faibles émissions de polluants et produisent une électricité fiable et de haute qualité.

Les avantages des piles à combustible au gaz naturel sont les suivants :

Avantages pour l'environnement- Les piles à combustible sont une méthode propre de production d'électricité à partir de combustibles fossiles. Pendant ce temps, les piles à combustible utilisant de l'hydrogène et de l'oxygène purs ne produisent que de l'eau, de l'électricité et de la chaleur ; d'autres types de piles à combustible émettent des composés soufrés négligeables et de très faibles niveaux de dioxyde de carbone. Cependant, le dioxyde de carbone émis par les piles à combustible est concentré et peut être facilement contenu au lieu d'être rejeté dans l'atmosphère.
Efficacité« Les piles à combustible convertissent l'énergie disponible dans les combustibles fossiles en électricité beaucoup plus efficacement que la production d'électricité traditionnelle à combustion. Cela signifie qu'il faut moins de carburant pour produire la même quantité d'électricité. Selon le National Energy Technology Laboratory, 58 piles à combustible (en combinaison avec des turbines à gaz naturel) peuvent être produites qui fonctionneront dans la plage de puissance de 1 à 20 MWe avec un rendement de 70 %. Cette efficacité est bien supérieure à l'efficacité qui peut être obtenue avec des méthodes de production d'électricité conventionnelles dans la plage de puissance spécifiée.
Production distribuée- Les piles à combustible peuvent être produites en très petites tailles ; cela leur permet d'être placés là où l'alimentation est requise. Cela s'applique aux installations pour les bâtiments résidentiels, commerciaux, industriels et même les véhicules.
Fiabilité- Les piles à combustible sont des dispositifs complètement fermés sans pièces mobiles ni machines complexes. Cela en fait des sources d'électricité fiables qui peuvent fonctionner pendant de nombreuses heures. De plus, ce sont des sources d'électricité presque silencieuses et sûres. De plus, il n'y a pas de surtensions électriques dans les piles à combustible ; cela signifie qu'ils peuvent être utilisés dans les cas où vous avez besoin d'une source d'électricité fiable et fonctionnant en permanence.

Jusqu'à récemment, les piles à combustible (FC), qui sont des générateurs électrochimiques capables de convertir l'énergie chimique en énergie électrique, en contournant les processus de combustion, en convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique et cette dernière en électricité, étaient moins populaires. L'énergie électrique est générée dans les piles à combustible par une réaction chimique entre un agent réducteur et un agent oxydant, qui sont fournis en continu aux électrodes. L'hydrogène est le plus souvent l'agent réducteur, l'oxygène ou l'air est l'agent oxydant. L'association d'une batterie de piles à combustible et de dispositifs d'alimentation en réactifs, d'évacuation des produits de réaction et de la chaleur (utilisable) est un générateur électrochimique.
Au cours de la dernière décennie du XXe siècle, lorsque les problèmes de fiabilité de l'alimentation électrique et les problèmes environnementaux sont devenus particulièrement importants, de nombreuses entreprises en Europe, au Japon et aux États-Unis ont commencé à développer et à produire plusieurs options pour les piles à combustible.
Les plus simples sont les piles à combustible alcalines, à partir desquelles a commencé le développement de ce type de sources d'énergie autonomes. La température de fonctionnement dans ces piles à combustible est de 80-95°C, l'électrolyte est une solution à 30% de potassium caustique. Les piles à combustible alcalines fonctionnent à l'hydrogène pur.
Récemment, une pile à combustible PEM à membranes échangeuses de protons (avec un électrolyte polymère) s'est généralisée. La température de fonctionnement dans ce procédé est également de 80 à 95 ° C, mais une membrane échangeuse d'ions solide avec de l'acide perfluorosulfonique est utilisée comme électrolyte.
Certes, la plus intéressante commercialement est la pile à combustible à acide phosphorique PAFC, qui atteint un rendement de 40 % pour produire de l'électricité seule, et de 85 % en utilisant la chaleur dégagée. La température de fonctionnement de cette pile à combustible est de 175-200°C, l'électrolyte est de l'acide phosphorique liquide imprégnant du carbure de silicium lié au Téflon.

Le boîtier de la cellule est équipé de deux électrodes en graphite poreux et d'acide phosphorique comme électrolyte. Les électrodes sont recouvertes d'un catalyseur au platine. Dans le reformeur, le gaz naturel, lorsqu'il interagit avec la vapeur, se transforme en hydrogène et en CO, qui est ensuite oxydé en CO2 dans le convertisseur. De plus, les molécules d'hydrogène sous l'influence du catalyseur se dissocient à l'anode en ions H. Les électrons libérés dans cette réaction sont dirigés à travers la charge vers la cathode. À la cathode, ils réagissent avec les ions hydrogène diffusant à travers l'électrolyte et avec les ions oxygène qui se forment à la suite de la réaction d'oxydation catalytique de l'oxygène dans l'air à la cathode, formant finalement de l'eau.
Les piles à combustible à carbonate fondu de type MCFC sont également des types de piles à combustible prometteurs. Lorsqu'elle fonctionne au méthane, cette pile à combustible a un rendement électrique de 50 à 57 %. Température de fonctionnement 540–650 ° C, électrolyte - carbonate fondu d'alcalis de potassium et de sodium dans une coquille - une matrice d'oxyde de lithium et d'aluminium LiA102.
Enfin, la pile à combustible la plus prometteuse est la SOFC. Il s'agit d'une pile à combustible à oxyde solide qui utilise n'importe quel combustible gazeux et qui convient le mieux aux installations relativement grandes. Son efficacité énergétique est de 50 à 55 % et, lorsqu'elle est utilisée dans des installations à cycle combiné, jusqu'à 65 %. La température de fonctionnement est de 980-1000°C, l'électrolyte est du zirconium solide stabilisé à l'yttrium.

En figue. 2 montre une batterie SOFC à 24 cellules développée par Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Allemagne). Cette batterie est l'épine dorsale d'un générateur électrochimique au gaz naturel. Les premiers tests de démonstration d'une centrale de ce type d'une puissance de 400 W remontent à 1986. Au cours des années suivantes, la conception des piles à combustible à oxyde solide s'est améliorée et leur puissance a augmenté.

Les plus réussis ont été les tests de démonstration de l'unité de 100 kW mise en service en 1999. La centrale a confirmé la possibilité de produire de l'électricité avec un rendement élevé (46 %) et a également montré une grande stabilité des caractéristiques. Ainsi, la possibilité de faire fonctionner la centrale pendant au moins 40 000 heures a été prouvée avec une baisse admissible de sa capacité.

En 2001, une nouvelle centrale électrique à oxyde solide fonctionnant à pression atmosphérique a été développée. La batterie (générateur électrochimique) d'une centrale électrique de 250 kW avec production combinée d'électricité et de chaleur comprenait 2304 cellules tubulaires à oxyde solide. De plus, l'unité comprenait un onduleur, un régénérateur, un réchauffeur de combustible (gaz naturel), une chambre de combustion pour chauffer l'air, un échangeur de chaleur pour chauffer l'eau en utilisant la chaleur des gaz de combustion et d'autres équipements auxiliaires. Dans le même temps, les dimensions globales de l'installation étaient assez modérées : 2,6x3,0x10,8 m.
Les spécialistes japonais ont obtenu un certain succès dans le développement de grandes piles à combustible. Les travaux de recherche ont commencé au Japon dès 1972, mais des progrès significatifs n'ont été réalisés qu'au milieu des années 90. Les modules de piles à combustible expérimentaux avaient une capacité de 50 à 1000 kW, dont les 2/3 fonctionnant au gaz naturel.
En 1994, une centrale à piles à combustible de 1 MW a été construite au Japon. Avec un rendement global (avec production de vapeur et d'eau chaude) égal à 71%, l'unité avait un rendement d'au moins 36% en termes de fourniture d'électricité. Depuis 1995, selon des articles de presse, une centrale électrique sur piles à combustible avec acide phosphorique d'une capacité de 11 MW est en service à Tokyo, et la capacité totale des piles à combustible produites en 2000 a atteint 40 MW.

Toutes les installations ci-dessus sont classées comme industrielles. Leurs développeurs s'efforcent en permanence d'augmenter la puissance des unités afin d'améliorer les caractéristiques de coûts (coûts unitaires par kW de puissance installée et coût de l'électricité produite). Mais il existe plusieurs entreprises qui se fixent une tâche différente : développer les installations les plus simples pour la consommation des ménages, y compris les alimentations électriques individuelles. Et dans ce domaine, il y a des réalisations importantes:

Plug Power LLC a développé une centrale à piles à combustible de 7 kW pour alimenter une maison ;
H Power corporation produit des chargeurs utilisés dans le transport pour les batteries d'une capacité de 50-100 W ;
Entreprise stagiaire. Fuel Cells LLC fabrique des véhicules et des alimentations électriques personnelles d'une puissance de 50 à 300 watts ;
Analytic Power Corporation a développé des alimentations personnelles de 150 W pour l'armée américaine, ainsi que des unités à pile à combustible pour les alimentations domestiques allant de 3 à 10 kW.

Quels sont les avantages des piles à combustible qui ont poussé de nombreuses entreprises à investir des sommes considérables dans leur développement ?
En plus d'une grande fiabilité, les générateurs électrochimiques ont un rendement élevé, ce qui les distingue avantageusement des unités à turbine à vapeur et même des unités à turbine à gaz à cycle simple. Un avantage important des piles à combustible est leur facilité d'utilisation en tant que sources d'énergie dispersées : la conception modulaire permet de connecter un nombre quelconque de piles individuelles en série pour former une batterie - idéale pour augmenter la puissance.

Mais l'argument le plus important en faveur des piles à combustible est leur performance environnementale. Les émissions de NOX et de CO de ces usines sont si faibles que, par exemple, les bureaux de qualité de l'air des comtés dans les régions (où les réglementations environnementales sont les plus strictes aux États-Unis) ne mentionnent même pas cet équipement dans toutes leurs exigences en matière de protection atmosphérique. .

Les nombreux avantages des piles à combustible, malheureusement, ne peuvent actuellement pas contrebalancer leur seul inconvénient - leur coût élevé. Aux États-Unis, par exemple, les coûts d'investissement spécifiques pour la construction d'une centrale électrique, même avec les piles à combustible les plus compétitives, sont d'environ 3 500 $ / kW. Et bien que le gouvernement accorde une subvention de 1OO$/kWh pour stimuler la demande pour cette technologie, le coût de construction de telles installations reste assez élevé. Surtout par rapport aux coûts d'investissement pour la construction d'une mini-cogénération avec une turbine à gaz ou avec des moteurs à combustion interne d'une gamme de puissance en mégawatts, qui sont d'environ 500 $ / kW.

Ces dernières années, des progrès ont été réalisés dans la réduction du coût des centrales à combustible. La construction de centrales électriques à FC à base d'acide phosphorique d'une capacité de 0,2 à 1,0 MW, mentionnée ci-dessus, a coûté 1 700 $ / kW. Le coût de production d'énergie dans de telles installations en Allemagne, en les utilisant pendant 6 000 heures par an, est estimé à 7,5 à 10 cents / kWh. L'unité PC25 d'une capacité de 200 kW, qui est exploitée par la société énergétique Hessische EAG (Darmstadt), présente également de bons indicateurs économiques : le coût de l'électricité, y compris les déductions pour amortissement, les coûts de carburant et les coûts d'entretien unitaire, s'élèvent à 15 centimes/kWh. . Le même indicateur pour les centrales thermiques alimentées au lignite était de 5,6 cents / kWh dans la compagnie d'électricité, 4,7 cents / kWh pour les centrales au charbon, 4,7 cents / kWh pour les centrales à cycle combiné et pour les centrales diesel - 10,3 cents / kWh.

La construction d'une plus grande usine de piles à combustible (N = 1564 kW), fonctionnant à Cologne depuis 1997, a nécessité des coûts d'investissement spécifiques d'un montant de 1500-1750 $ / kW, mais le coût des piles à combustible elles-mêmes n'était que de 400 $ / kW .

Tout ce qui précède montre que les piles à combustible sont un type d'équipement de production d'énergie prometteur à la fois pour l'industrie et pour les installations autonomes dans le secteur des services publics. La haute efficacité de l'utilisation du gaz et les excellentes caractéristiques environnementales laissent penser qu'après avoir résolu la tâche la plus importante - réduire les coûts - ce type d'équipement électrique sera demandé sur le marché des systèmes autonomes d'alimentation en chaleur et en électricité.

Écologie de la cognition Science et technologie : L'énergie hydrogène est l'une des industries les plus efficaces et les piles à combustible la maintiennent à la pointe des technologies innovantes.

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

Une pile à combustible est similaire à une batterie en ce sens qu'elle génère du courant continu par le biais d'une réaction chimique. Encore une fois, comme une batterie, une pile à combustible comprend une anode, une cathode et un électrolyte. Cependant, contrairement aux batteries, les piles à combustible ne peuvent pas stocker d'énergie électrique, ne se déchargent pas et ne nécessitent pas d'électricité pour se recharger. Les piles à combustible peuvent produire de l'électricité en continu tant qu'elles disposent d'un approvisionnement en combustible et en air. Le terme correct pour décrire une pile à combustible en fonctionnement est un système de pile, car certains systèmes auxiliaires sont nécessaires pour fonctionner correctement.

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

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

Comment fonctionnent les piles à combustible

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

L'anode et la cathode sont séparées par un électrolyte conducteur de protons. Une fois que l'hydrogène pénètre dans l'anode et que l'oxygène pénètre dans la cathode, une réaction chimique commence, à la suite de laquelle du courant électrique, de la chaleur et de l'eau sont générés. Sur le catalyseur anodique, l'hydrogène moléculaire se dissocie et perd des électrons. Les ions hydrogène (protons) sont conduits à travers l'électrolyte vers la cathode, tandis que les électrons traversent l'électrolyte et traversent un circuit électrique externe, créant un courant continu qui peut être utilisé pour alimenter l'équipement. Sur le catalyseur cathodique, une molécule d'oxygène se combine avec un électron (qui est fourni par des communications externes) et un proton entrant, et forme de l'eau, qui est le seul produit de réaction (sous forme de vapeur et/ou de liquide).

Voici la réaction correspondante :

Réaction à l'anode : 2H2 => 4H + + 4e-
Réaction cathodique : O2 + 4H + + 4e- => 2H2O
Réaction générale de l'élément : 2H2 + O2 => 2H2O

Types de piles à combustible

De même qu'il existe différents types de moteurs à combustion interne, il existe différents types de piles à combustible - le choix du type de pile à combustible approprié dépend de l'application.Les piles à combustible sont divisées en haute température et basse température. Les piles à combustible à basse température nécessitent de l'hydrogène relativement pur comme combustible.

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

Piles à combustible à base de carbonate fondu (RKTE).

Les piles à combustible à électrolyte carbonate fondu sont des piles à combustible à haute température. La température de fonctionnement élevée permet au gaz naturel d'être utilisé directement sans combustible de traitement et sans gaz combustible à faible pouvoir calorifique pour les processus industriels et d'autres sources. Ce procédé a été développé au milieu des années 1960. Depuis lors, la technologie de production, les performances et la fiabilité ont été améliorées.

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

Réaction à l'anode : CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Réaction cathodique : CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-
Réaction générale de l'élément : H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (cathode) => H2O (g) + CO2 (anode)

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

Piles à combustible à acide phosphorique (FCTE).

Les piles à combustible à acide phosphorique (orthophosphorique) ont été les premières piles à combustible à usage commercial. Ce procédé a été développé au milieu des années 1960 et est testé depuis les années 1970. Depuis lors, la stabilité, les performances ont été augmentées et les coûts ont été réduits.

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

Le porteur de charge dans ce type de pile à combustible est l'hydrogène (H+, proton). Un processus similaire se déroule dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MOPTE), dans lesquelles l'hydrogène fourni à l'anode est séparé en protons et électrons. Les protons traversent l'électrolyte et se combinent avec l'oxygène de l'air à la cathode pour former de l'eau. Les électrons sont acheminés à travers un circuit électrique externe pour générer du courant électrique. Vous trouverez ci-dessous les réactions qui génèrent du courant électrique et de la chaleur.

Réaction à l'anode : 2H2 => 4H + + 4e-
Réaction cathodique : O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O
Réaction générale de l'élément : 2H2 + O2 => 2H2O

La haute performance des centrales thermiques sur piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) dans la production combinée d'énergie thermique et électrique est l'un des avantages de ce type de piles à combustible. Les usines utilisent du monoxyde de carbone avec une concentration d'environ 1,5%, ce qui élargit considérablement le choix de combustible. De plus, le CO2 n'affecte pas l'électrolyte et le fonctionnement de la pile à combustible ; ce type de pile fonctionne avec du combustible naturel reformé. Une conception simple, une faible volatilité de l'électrolyte et une stabilité accrue sont également des avantages de ce type de pile à combustible.

Des centrales thermiques d'une puissance électrique de sortie allant jusqu'à 400 kW sont produites industriellement. Les unités de 11 MW ont été testées en conséquence. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 100 MW sont en cours de développement.

Piles à combustible à protons à échange de membranes (MOPTE)

Les piles à combustible à membrane sont considérées comme le meilleur type de pile à combustible pour produire de l'énergie automobile, qui peut remplacer les moteurs à combustion interne à essence et diesel. Ces piles à combustible ont d'abord été utilisées par la NASA pour le programme Gemini. Aujourd'hui, des unités MOPTE d'une capacité de 1W à 2 kW sont en cours de développement et de démonstration.

Ces piles à combustible utilisent une membrane polymère solide (film plastique mince) comme électrolyte. Lorsqu'il est trempé dans l'eau, ce polymère laisse passer les protons mais ne conduit pas les électrons.

Le carburant est l'hydrogène et le porteur de charge est un ion hydrogène (proton). A l'anode, une molécule d'hydrogène est divisée en un ion hydrogène (proton) et des électrons. Les ions hydrogène traversent l'électrolyte jusqu'à la cathode, tandis que les électrons se déplacent autour du cercle extérieur et produisent de l'énergie électrique. L'oxygène, qui est extrait de l'air, alimente la cathode et se combine avec les électrons et les ions hydrogène pour former de l'eau. Les réactions suivantes se produisent sur les électrodes :

Réaction à l'anode : 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Réaction cathodique : O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Réaction générale de l'élément : 2H2 + O2 => 2H2O

Par rapport à d'autres types de piles à combustible, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons produisent plus d'énergie pour un volume ou un poids donné de la pile à combustible. Cette caractéristique leur permet d'être compacts et légers. De plus, la température de fonctionnement est inférieure à 100°C, ce qui permet un démarrage rapide. Ces caractéristiques, ainsi que la capacité de modifier rapidement la production d'énergie, ne sont que quelques-unes des caractéristiques qui font de ces piles à combustible un candidat de choix pour une utilisation dans les véhicules.

Un autre avantage est que l'électrolyte est une substance solide et non liquide. Le piégeage des gaz à la cathode et à l'anode est plus facile avec un électrolyte solide et, par conséquent, de telles piles à combustible sont moins chères à fabriquer. Par rapport à d'autres électrolytes, lors de l'utilisation d'un électrolyte solide, il n'y a pas de difficultés telles que l'orientation, il y a moins de problèmes dus à l'apparition de corrosion, ce qui entraîne une durée de vie plus longue de la cellule et de ses composants.

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide sont les piles à combustible ayant la température de fonctionnement la plus élevée. La température de fonctionnement peut varier de 600°C à 1000°C, ce qui permet d'utiliser différents types de carburant sans prétraitement particulier. Pour faire face à ces températures élevées, l'électrolyte utilisé est un oxyde métallique mince et solide à base de céramique, souvent un alliage d'yttrium et de zirconium, qui est un conducteur d'ions oxygène (O2-). La technologie d'utilisation des piles à combustible à oxyde solide se développe depuis la fin des années 1950. et a deux configurations : planaire et tubulaire.

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

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

L'efficacité de l'énergie électrique générée est la plus élevée de toutes les piles à combustible - environ 60%. De plus, les températures de fonctionnement élevées permettent à la production combinée de chaleur et d'électricité de générer de la vapeur à haute pression. L'association d'une pile à combustible haute température à une turbine permet de créer une pile à combustible hybride permettant d'augmenter jusqu'à 70 % le rendement de la production d'électricité.

Piles à combustible à oxydation directe du méthanol (POMTE)

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

Réaction à l'anode : CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e-
Réaction cathodique : 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O
Réaction générale de l'élément : CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O

Le développement de ces piles à combustible a commencé au début des années 90. Avec le développement de catalyseurs améliorés et d'autres innovations récentes, la densité de puissance et l'efficacité ont été augmentées à 40 %.

Ces éléments ont été testés dans une plage de température de 50-120°C. Avec leurs basses températures de fonctionnement et l'absence de convertisseur, les piles à combustible au méthanol direct sont les meilleures candidates pour les applications dans les téléphones portables et autres biens de consommation et moteurs automobiles. L'avantage de ce type de pile à combustible est sa petite taille, due à l'utilisation de combustible liquide, et l'absence de besoin de convertisseur.

Piles à combustible alcalines (SHFC)

Les piles à combustible alcalines (ALFC) sont l'une des technologies les plus étudiées, utilisées depuis le milieu des années 1960. par la NASA dans les programmes Apollo et Space Shuttle. A bord de ces vaisseaux spatiaux, les piles à combustible produisent de l'électricité et de l'eau potable. Les piles à combustible alcalines sont l'un des éléments les plus efficaces utilisés pour produire de l'électricité, avec une efficacité de production d'électricité pouvant atteindre 70 %.

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

Réaction à l'anode : 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Réaction cathodique : O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Réponse générale du système : 2H2 + O2 => 2H2O

L'avantage des SHFC est que ces piles à combustible sont les moins chères à fabriquer, car le catalyseur nécessaire sur les électrodes peut être n'importe laquelle des substances moins chères que celles utilisées comme catalyseurs pour d'autres piles à combustible. De plus, les SHFC fonctionnent à une température relativement basse et sont l'une des piles à combustible les plus efficaces - de telles caractéristiques peuvent donc contribuer à l'accélération de la production d'électricité et à un rendement énergétique élevé.

L'une des caractéristiques des SHFC est leur grande sensibilité au CO2, qui peut être contenu dans le carburant ou l'air. Le CO2 réagit avec l'électrolyte, l'empoisonne rapidement et réduit considérablement l'efficacité de la pile à combustible. Par conséquent, l'utilisation de SHTE est limitée aux espaces fermés, tels que les véhicules spatiaux et sous-marins, ils doivent fonctionner à l'hydrogène et à l'oxygène purs. De plus, des molécules telles que le CO, l'H2O et le CH4, qui sont sans danger pour d'autres piles à combustible, et même du carburant pour certaines d'entre elles, sont nocives pour les SHFC.

Piles à combustible à électrolyte polymère (PETE)

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

Piles à combustible à acide solide (TKTE)

Typiquement, une pile à combustible à acide solide est un sandwich dans lequel une très fine couche d'un composé acide solide est prise en sandwich entre deux électrodes étroitement comprimées pour assurer un bon contact. Lorsqu'il est chauffé, le composant organique s'évapore, sortant par les pores des électrodes, conservant la capacité de contacts multiples entre le combustible (ou l'oxygène à l'autre extrémité des cellules), l'électrolyte et les électrodes.

Type de pile à combustible	Température de fonctionnement	Efficacité de la production d'électricité	Type de carburant	Champ d'application
RKTE	550-700°C	50-70%		Moyennes et grandes installations
FKTE	100-220°C	35-40%	Hydrogène pur	Grandes installations
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations
SOFC	450-1000°C	45-70%	La plupart des hydrocarbures	Petites, moyennes et grandes installations
POMTE	20-90 °C	20-30%	Méthanol	Installations portatives
SHTE	50-200°C	40-65%	Hydrogène pur	Exploration de l'espace
PETE	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations

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