Piles à combustible alternatives à l'ère du pétrole ?

2000/11/01 Imaz Amiano, Eneko - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Les piles à combustible, en principe, fonctionnent comme des batteries. Ils produisent de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène. La réaction est électrochimique, c'est-à-dire qu'elle n'est pas combustion, où l'énergie chimique se transforme en électricité et chaleur. Le seul résidu ou sous-produit généré est la vapeur d'eau. Par conséquent, ils produisent de l'énergie électrique de la même manière que les batteries, mais la plupart des batteries sont rechargées avec l'électricité (à la fois avec le moteur en marche et connecté au réseau électrique). Les piles à combustible, cependant, oxydent le combustible extérieur, c'est-à-dire, comme les moteurs à combustion, doivent être incorporées de temps en temps.

Dans les systèmes de combustion conventionnels, on réalise trois étapes pour la production d'électricité à partir du combustible: d'abord l'énergie chimique (combustible) se transforme en chaleur par combustion, puis l'énergie calorifique se transforme en énergie mécanique (dans la machine thermique) par la pression que génère le sable et finalement l'énergie mécanique se transforme en énergie électrique dans les générateurs. Cependant, dans les piles à combustible, l'étape est unique et donc la performance est meilleure. Le rendement des meilleures machines de combustion varie entre 30 et 40% dans des puissances d'environ 1 MW. Dans de petites puissances, en outre, le rendement diminue considérablement. Cependant, le rendement des piles à combustible est supérieur à 30%, même dans des puissances de quelques watts.

Les piles à combustible sont connectées en série. Chaque pile de la série se compose de deux électrodes (anode et cathode) et électrolyte entre les deux. L'anode est une électrode négative où l'hydrogène est oxydé par la libération des électrons. Dans l'électrode positive, c'est-à-dire dans la cathode, l'oxygène est réduit en prenant les électrons libérés dans l'anode. Les deux électrodes sont cannelées pour que l'hydrogène et l'oxygène atteignent toute l'anode et que la réaction soit facilitée. La fonction de l'électrolyte est que les charges positives vont de l'anode à la cathode ou les négatives de la cathode à l'anode.

En théorie, le carburant est hydrogène, mais il est difficile d'obtenir, d'accumuler et de distribuer de l'hydrogène pur et donc cher. Bien que l'idéal pour que l'énergie soit réellement renouvelable est le développement d'une technologie qui permette d'obtenir de l'hydrogène sans pollution, facile et bon marché, dans de nombreux cas on utilise des combustibles fossiles (principalement du méthane) comme source d'hydrogène. Lorsque cela est fait, l'hydrogène utilisé n'est pas pur, ce qui réduit l'efficacité des cellules de carburant et une certaine pollution se produit.

Types de piles à combustible

Il a commenté quelle est la fonction de l'électrolyte, mais ils diffèrent en fonction de l'électrolyte qui contient les piles à combustible.

Alcalins (AFC)

C'est l'un des modèles les plus anciens. Solution d'hydroxyde potassique (KOH) comme électrolyte. Il est très sensible à la pollution, donc il fonctionne beaucoup mieux avec l'hydrogène et l'oxygène pur. Déjà dans les années 1960, il a été utilisé dans les missions spatiales des États-Unis, tant pour l'approvisionnement en électricité que pour l'accès à l'eau potable. C'est l'espace et les usages militaires où le plus est utilisé.

en polymère de cations (PEMFC ou SPFC)

C'est le type de piles à combustible qui se développe le plus aujourd'hui, puisque plusieurs compagnies étudient et fabriquent des piles à combustible en polymère de cations. L'électrolyte est une membrane d'échange ionique (fluorosulfopolymère). Les combustibles de l'anode peuvent être de l'hydrogène pur, du gaz naturel et du méthane, mais le meilleur est l'hydrogène pur. Le comburant de la cathode est l'oxygène de l'air. Il peut être utilisé dans les véhicules de transport, génération de puissance et les systèmes portables. Plusieurs entreprises automobiles ont réalisé leurs prototypes avec cette pile.

Acide phosphorique (PAFC)

C'est aussi l'une des plus anciennes et des plus étudiées. Les Japonais sont les plus avancés dans la recherche et l'utilisation de ce type de piles. Il utilise de l'acide phosphorique comme électrolyte. Vous pouvez utiliser du méthane comme carburant, puisque le méthane peut obtenir de l'hydrogène. Le comburant est l'oxygène de l'air. La chaleur qu'il génère, environ 200 C, peut être utilisée pour chauffer l'air ou l'eau. Vous pouvez également utiliser comme carburant alcools méthanol et éthanol. Dans tous les cas, le monoxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène générés lors de la réforme des trois doivent être évités pour éviter une diminution des performances. En raison du temps qu'il faut pour atteindre cette température de fonctionnement, il ne convient pas pour une utilisation dans les véhicules.

Carbonates fondus (MCFC)

Il utilise comme électrolyte le mélange de carbonates alcalins (Li, Na et K). Les combustibles anode peuvent être un gaz de synthèse ou un gaz naturel réformé généré dans la gazéification du carbone. Le comburant de la cathode est l'oxygène de l'air. Le procédé génère de la chaleur, utilisable en cogénération (environ 650 C), et de la vapeur d'eau utilisée dans la régénération du méthane. Beaucoup considèrent ce type de piles comme des systèmes adaptés aux générations centrales.

Oxyde solide (SOFC):

Ils contiennent dans l'électrolyte oxyde d'itrium et de zirconium stable (YSZ). Sa température de fonctionnement est très élevée (700-1000 C) et la vapeur produite peut être utilisée pour produire plus d'électricité. Fonctionne avec différents combustibles (hydrogène pur, méthane, monoxyde de carbone...). Le déversement résultant dépendra du carburant utilisé. Le combustible de la cathode est l'oxygène de l'air. Il est utilisé pour les centrales de génération et de cogénération.

Par conséquent, chaque type de pile de carburant est adapté à différentes utilisations. D'autre part, même si dans la plupart d'entre elles le combustible idéal est de l'hydrogène pur, d'autres combustibles sont utilisés pour obtenir de l'hydrogène (au détriment de l'efficacité et de l'environnement), ce qui met en doute la nature de l'énergie ou des technologies renouvelables. Cependant, cette technologie pollue moins que les moteurs à combustion actuels.