Que sont les piles à combustible

L'électronique mobile chaque année, sinon un mois, devient plus accessible et plus répandue. Ici, vous avez des ordinateurs portables et des PDA, des appareils photo numériques et des téléphones mobiles, et une tonne de toutes sortes d'appareils utiles et pas si. Et tous ces appareils acquièrent constamment de nouvelles fonctionnalités, des processeurs plus puissants, de grands écrans couleur, des communications sans fil, tout en diminuant de taille. Mais, contrairement aux technologies semi-conductrices, les technologies de puissance de toute cette ménagerie mobile ne vont pas à pas de géant.

Les piles rechargeables conventionnelles et les piles ne sont clairement pas suffisantes pour alimenter les dernières réalisations de l'industrie électronique pendant une durée substantielle. Et sans batteries fiables et volumineuses, tout le sens de la mobilité et de la connectivité sans fil est perdu. L'industrie informatique travaille donc de plus en plus activement sur le problème alimentations alternatives. Et la direction la plus prometteuse, aujourd'hui, est piles à combustible.

Le principe de base du fonctionnement des piles à combustible a été découvert par le scientifique britannique Sir William Grove en 1839. Il est connu comme le père de la pile à combustible. William Grove a produit de l'électricité en changeant électrolyse de l'eau pour extraire l'hydrogène et l'oxygène. Après avoir déconnecté la batterie de la cellule électrolytique, Grove a été surpris de constater que les électrodes ont commencé à absorber le gaz libéré et à générer du courant. Ouverture du processus combustion électrochimique à froid de l'hydrogène un événement dans le secteur de l'énergie est devenu significatif, et à l'avenir des électrochimistes bien connus comme Ostwald et Nernst ont joué un grand rôle dans le développement des fondements théoriques et la mise en œuvre pratique des piles à combustible et leur ont prédit un grand avenir.

Lui-même le terme "pile à combustible" (pile à combustible) est apparu plus tard - il a été proposé en 1889 par Ludwig Mond et Charles Langer, qui ont essayé de créer un appareil pour produire de l'électricité à partir de l'air et du charbon.

Pendant la combustion normale, l'oxygène oxyde les combustibles fossiles et l'énergie chimique du carburant est inefficacement convertie en énergie thermique. Mais il s'est avéré possible de réaliser la réaction d'oxydation, par exemple de l'hydrogène avec de l'oxygène, en milieu électrolytique et en présence d'électrodes pour obtenir un courant électrique. Par exemple, en fournissant de l'hydrogène à une électrode située dans un milieu alcalin, nous obtenons des électrons:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

qui, en passant par le circuit externe, se dirigent vers l'électrode opposée, où pénètre l'oxygène et où la réaction a lieu: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

On peut voir que la réaction résultante 2H2 + O2 → H2O est la même que pendant la combustion normale, mais dans la pile à combustible, ou autrement - dans générateur électrochimique, il se traduit par un courant électrique à haut rendement et partiellement thermique. Notez que le charbon, le monoxyde de carbone, les alcools, l'hydrazine, d'autres substances organiques peuvent également être utilisés comme carburant dans les piles à combustible, et l'air, le peroxyde d'hydrogène, le chlore, le brome, l'acide nitrique, etc. peuvent être utilisés comme agents oxydants.

Le développement des piles à combustible s'est poursuivi vigoureusement à l'étranger et en Russie, puis en URSS. Parmi les scientifiques qui ont apporté une grande contribution à l'étude des piles à combustible, nous mentionnons V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Au milieu du siècle dernier, une nouvelle attaque contre les problèmes de pile à combustible a commencé. Cela est dû en partie à l'émergence de nouvelles idées, de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies grâce à la recherche en matière de défense.

L'un des scientifiques qui a franchi une étape importante dans le développement des piles à combustible était P. M. Spiridonov. Éléments hydrogène-oxygène de Spiridonov a donné une densité de courant de 30 mA / cm2, ce qui était considéré à l'époque comme une grande réussite.Dans les années 40, O. Davtyan a créé une installation pour la combustion électrochimique du gaz de générateur obtenu par gazéification du charbon. Avec chaque mètre cube de volume d'élément, Davtyan a reçu 5 kW de puissance.

C'était première pile à combustible à électrolyte solide. Il avait un rendement élevé, mais au fil du temps, l'électrolyte est devenu inutilisable et a dû être changé. Par la suite, à la fin des années cinquante, Davtyan a créé une puissante installation qui a propulsé le tracteur. Au cours de ces mêmes années, l'ingénieur anglais T. Bacon a conçu et construit une batterie à pile à combustible d'une capacité totale de 6 kW et d'une efficacité de 80%, fonctionnant à l'hydrogène et à l'oxygène purs, mais le rapport puissance / poids de la batterie était trop petit - ces éléments n'étaient pas adaptés à une utilisation pratique et trop très chers.

Les années suivantes, le temps des solitaires est révolu. Les créateurs de vaisseaux spatiaux se sont intéressés aux piles à combustible. Depuis le milieu des années 60, des millions de dollars ont été investis dans la recherche sur les piles à combustible. Le travail de milliers de scientifiques et d'ingénieurs 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, puis sur des navires Apollo pour des 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. Au cours de ces années, de nouveaux matériaux sont déjà apparus - électrolytes polymères solides à base de membranes échangeuses d'ions, nouveaux types de catalyseurs, électrodes. Et pourtant, la densité de courant de travail était petite - dans la gamme de 100-200 mA / cm2, et la teneur en platine sur les électrodes était de plusieurs g / cm2. De nombreux problèmes étaient liés à la durabilité, la stabilité et la sécurité.

La prochaine étape du développement rapide des piles à combustible a commencé dans les années 90. siècle dernier et continue maintenant. Elle est causée par le besoin de nouvelles sources d'énergie efficaces en raison, d'une part, du problème environnemental mondial de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre provenant de la combustion de combustibles fossiles et, d'autre part, de l'épuisement de ces combustibles. L'eau étant le produit final de la combustion de l'hydrogène dans une pile à combustible, elle est considérée comme la plus propre du point de vue de l'impact environnemental. Le principal problème n'est que de trouver un moyen efficace et peu coûteux de produire de l'hydrogène.

Des milliards d'investissements financiers dans le développement des piles à combustible et des générateurs d'hydrogène devraient conduire à une percée technologique et faire de leur utilisation au quotidien une réalité: dans les téléphones portables, dans les voitures, dans les centrales électriques. Déjà, des géants de l'automobile tels que Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors font la démonstration de voitures et d'autobus fonctionnant avec des piles à combustible de 50 kW. Un certain nombre d'entreprises se sont développées Installations de démonstration de piles à combustible à électrolyte à combustible solide jusqu'à 500 kW. Mais, malgré une percée significative dans l'amélioration des performances des piles à combustible, de nombreux problèmes doivent encore être résolus en ce qui concerne leur coût, leur fiabilité et leur sécurité.

Dans une pile à combustible, contrairement aux piles et accumulateurs, le combustible et l'oxydant lui sont fournis de l'extérieur. La pile à combustible n'est qu'un médiateur dans la réaction et dans des conditions idéales, elle pourrait fonctionner presque indéfiniment. La beauté de cette technologie est que en fait, le combustible est brûlé dans l'élément et l'énergie libérée est directement convertie en électricité. Avec la combustion directe du carburant, il est oxydé par l'oxygène et la chaleur générée dans ce processus est utilisée pour effectuer un travail utile.

Dans une pile à combustible, comme dans les batteries, les réactions d'oxydation du carburant et de réduction de l'oxygène sont spatialement séparées, et le processus de «combustion» ne se produit que si la pile dégage du courant vers la charge. C'est comme générateur diesel, uniquement sans diesel et générateur. Et aussi sans fumée, bruit, surchauffe et avec une efficacité beaucoup plus élevée. Ce dernier s'explique par le fait que, d'une part, il n'y a pas de dispositifs mécaniques intermédiaires et, d'autre part, la pile à combustible n'est pas un moteur thermique et n'obéit donc pas à la loi Carnot (c'est-à-dire que son efficacité n'est pas déterminée par la différence de température).

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

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

Le résultat est une énergie utile et de la vapeur d'eau. Le plus simple dans sa conception est pile à combustible à membrane échangeuse de protons (voir figure 1). Il fonctionne comme suit: l'hydrogène entrant dans l'élément se décompose sous l'action du catalyseur en électrons et en ions hydrogène H + chargés positivement. Ensuite, une membrane spéciale entre en jeu, agissant ici comme un électrolyte dans une batterie conventionnelle. En raison de sa composition chimique, il traverse les protons à travers lui-même, mais il piège les électrons. Ainsi, les électrons accumulés sur l'anode créent une charge négative en excès, et les ions hydrogène créent une charge positive sur la cathode (la tension sur l'élément est d'environ 1V).

Pour créer une puissance élevée, une pile à combustible est assemblée à partir d'une pluralité de piles. Si vous incluez un élément dans la charge, les électrons le traversent vers la cathode, créant un courant et achevant le processus d'oxydation de l'hydrogène par l'oxygène. En tant que catalyseur dans de telles piles à combustible, des microparticules de platine déposées sur une fibre de carbone sont généralement utilisées. En raison de sa structure, un tel catalyseur passe bien le gaz et l'électricité. La membrane est généralement fabriquée à partir d'un polymère Nafion contenant du soufre. L'épaisseur de la membrane est égale au dixième de millimètre. Pendant la réaction, bien sûr, de la chaleur est également libérée, mais elle ne l'est pas tellement, de sorte que la température de fonctionnement est maintenue dans la plage de 40 à 80 ° C.

Fig.1. Le principe de fonctionnement de la pile à combustible

Il existe d'autres types de piles à combustible, qui diffèrent principalement par le type d'électrolyte utilisé. Presque tous ont besoin d'hydrogène comme carburant, donc une question logique se pose: où l'obtenir. Bien sûr, il serait possible d'utiliser de l'hydrogène comprimé à partir de cylindres, mais des problèmes surgissent immédiatement liés au transport et au stockage de ce gaz hautement inflammable sous haute pression. Bien sûr, vous pouvez utiliser l'hydrogène sous forme liée comme dans les batteries à hydrure métallique. Mais encore, la tâche reste de son extraction et de son transport, car l'infrastructure des stations de gaz hydrogène n'existe pas.

Cependant, il existe également une solution - le carburant hydrocarboné liquide peut être utilisé comme source d'hydrogène. Par exemple, l'alcool éthylique ou méthylique. Certes, un appareil supplémentaire spécial est déjà nécessaire ici - un convertisseur de carburant, qui convertit les alcools en un mélange de H2 gazeux et de CO2 à haute température (pour le méthanol, il se situera autour de 240 ° C). Mais dans ce cas, il est déjà plus difficile de penser à la portabilité - ces appareils sont bien utilisés comme stationnaires ou alternateurs de voitureMais pour un équipement mobile compact, vous avez besoin de quelque chose de moins encombrant.

Et nous arrivons ici à cet appareil, dont le développement dont presque tous les plus grands fabricants d'électronique sont engagés avec une force terrible - pile à combustible au méthanol (figure 2).

Fig.2. Le principe de fonctionnement de la pile à combustible au méthanol

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

Fig. 3. Pile à combustible au méthanol

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

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

1. Électrolyte solide hydrogène-oxygène polymère.

2. Piles à combustible au méthanol polymère solide.

3. Éléments sur électrolyte alcalin.

4. Piles à combustible à acide phosphorique.

5. Piles à combustible sur carbonates fondus.

6. Piles à combustible à oxyde solide.

Idéalement, l'efficacité des piles à combustible est très élevée, mais dans des conditions réelles, il y a des pertes associées à des processus hors équilibre, telles que les pertes ohmiques dues à la conductivité de l'électrolyte et des électrodes, l'activation et la polarisation de concentration, les pertes de diffusion. De ce fait, une partie de l'énergie générée dans les piles à combustible est convertie en chaleur. Les efforts des spécialistes visent à réduire ces pertes.

La principale source de pertes ohmiques, ainsi que la raison du prix élevé des piles à combustible, sont les membranes échangeuses d'ions sulfocation perfluorées. Nous recherchons maintenant des polymères conducteurs de protons alternatifs et moins chers. Étant donné que la conductivité de ces membranes (électrolytes solides) n'atteint une valeur acceptable (10 Ohm / cm) qu'en présence d'eau, les gaz fournis à la pile à combustible doivent en outre être humidifiés dans un dispositif spécial, ce qui rend également le système plus cher. Dans les électrodes de diffusion de gaz catalytiques, principalement du platine et certains autres métaux nobles sont utilisés, et jusqu'à présent aucun remplacement n'a été trouvé. Bien que la teneur en platine des piles à combustible soit de plusieurs mg / cm2, pour les grandes batteries, sa quantité atteint des dizaines de grammes.

Lors de la conception des piles à combustible, une grande attention est accordée au système d'évacuation de la chaleur, car à des densités de courant élevées (jusqu'à 1A / cm2), le système s'échauffe automatiquement. Pour le refroidissement, l'eau circulant dans la pile à combustible à travers des canaux spéciaux est utilisée, et à faible capacité, un soufflage d'air est utilisé.

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

Pour l'introduction des piles à combustible dans la vie quotidienne, ainsi que les composants moins chers, vous devez vous attendre à de nouvelles idées et approches originales. En particulier, de grands espoirs sont associés à l'utilisation des nanomatériaux et des nanotechnologies. Par exemple, récemment, plusieurs sociétés ont annoncé la création de catalyseurs super-efficaces, en particulier, pour une électrode à oxygène basée sur des grappes de nanoparticules de divers métaux. En outre, il a été fait état de la conception de piles à combustible sans membrane dans lesquelles du carburant liquide (par exemple du méthanol) est fourni à la pile à combustible avec un agent oxydant.Un concept intéressant est également le concept développé d'éléments de biocarburant fonctionnant dans des eaux polluées et consommant de l'oxygène dissous comme agent oxydant et des impuretés organiques comme carburant.

Selon les experts, les piles à combustible entreront sur le marché de masse dans les années à venir. En effet, les développeurs surmontent les problèmes techniques les uns après les autres, rendent compte des succès et présentent des prototypes de piles à combustible. Par exemple, Toshiba a fait la démonstration d'un prototype de pile à combustible au méthanol fini. Il a une taille de 22x56x4,5 mm et donne une puissance de l'ordre de 100mW. Un ravitaillement en 2 cubes de méthanol concentré (99,5%) suffit pour 20 heures de travail du lecteur MP3. Toshiba a publié une pile à combustible commerciale pour alimenter les téléphones mobiles. Encore une fois, le même Toshiba a démontré un élément pour alimenter des ordinateurs portables mesurant 275x75x40 mm, permettant à l'ordinateur de fonctionner pendant 5 heures à partir d'un seul ravitaillement.

Une autre entreprise japonaise, Fujitsu, n'est pas loin derrière Toshiba. En 2004, elle a également introduit un élément agissant sur une solution aqueuse à 30% de méthanol. Cette pile à combustible a fonctionné à un ravitaillement en 300 ml pendant 10 heures et en même temps a donné une puissance de 15 watts.

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

Samsung a également été noté dans le domaine des piles à combustible - en 2004, il a démontré son prototype de 12 W conçu pour alimenter un ordinateur portable. En général, Samsung prévoit d'utiliser des piles à combustible, principalement dans les smartphones de quatrième génération.

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

Les Allemands ne sont pas loin derrière - Smart Fuel Cell vend des piles à combustible pour alimenter un bureau mobile. L'appareil est appelé Smart Fuel Cell C25, il a des dimensions de 150x112x65mm et peut produire jusqu'à 140 watts-heures dans une seule station-service. Cela suffit pour alimenter l'ordinateur portable pendant environ 7 heures. Ensuite, la cartouche peut être remplacée et vous pouvez continuer à travailler. La taille de la cartouche avec du méthanol est de 99x63x27 mm et elle pèse 150g. Le système lui-même pèse 1,1 kg, vous ne pouvez donc pas l'appeler portable du tout, mais c'est toujours un appareil complet et pratique. La société développe également un module de carburant pour alimenter les caméras vidéo professionnelles.

En général, les piles à combustible ont presque pénétré le marché de l'électronique mobile. Les fabricants doivent résoudre les derniers problèmes techniques avant de commencer la production de masse.

Premièrement, il est nécessaire de résoudre le problème de la miniaturisation des piles à combustible. Après tout, plus la pile à combustible est petite, moins elle sera en mesure de fournir de puissance - de nouveaux catalyseurs et électrodes sont donc constamment développés pour permettre, à petite taille, de maximiser la surface de travail. Ici, juste à temps, les développements récents dans le domaine de la nanotechnologie et des nanomatériaux (par exemple, les nanotubes) sont très utiles. Encore une fois, pour miniaturiser la tuyauterie des éléments (pompes à carburant et à eau, systèmes de refroidissement et de conversion de carburant), des avancées microélectromécaniques sont de plus en plus appliquées.

Le deuxième problème important à résoudre est le prix. En effet, comme catalyseur dans la plupart des piles à combustible, du platine très cher est utilisé.Encore une fois, certains fabricants tentent de tirer le meilleur parti de la technologie du silicium déjà bien développée.

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

Voir aussi: Sources d'énergie alternatives