Éléments hydrogène. Pile à combustible à hydrogène : description, caractéristiques, principe de fonctionnement, photo

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Introduction

Les besoins croissants de consommation énergétique nécessitent la recherche de ses sources prometteuses. En résolvant cela Problèmes Les sources actuelles appelées piles à combustible peuvent jouer un rôle important.

Le but de ce projet- après s'être familiarisé avec les principes de fonctionnement des piles à combustible, réaliser une maquette fonctionnelle de ce type de source d'énergie électrique. Tâche de travail: avoir étudié du matériel théorique sur les bases du fonctionnement des piles à combustible et s'être familiarisé avec types existants de ces sources actuelles, produisent un modèle original fonctionnel de l’élément. Cette source de courant a été choisie car elle convertit directement l’énergie du combustible en énergie électrique sans recourir à divers dispositifs intermédiaires.

Hypothèse - la capacité de développer et de créer de manière indépendante un modèle original de pile à combustible. Objet d'étude: sources actuelles - réservoirs de carburant. Sujet d'étude- les caractéristiques techniques et électriques de ces sources de courant. Méthodes de recherche- étudier le matériel théorique nécessaire, réaliser des expériences pour créer votre propre pile à combustible opérationnelle pour une pile à combustible hydrogène-oxygène avec un électrolyte alcalin et tester le fonctionnement de la source de courant résultante. Importance pratique et pertinence Les projets ne font aucun doute. Les piles à combustible sont très intéressantes et prometteuses car elles convertissent l'énergie chimique du combustible directement en électricité, chaleur et eau. Ainsi, ils sont très efficaces, silencieux, non polluants et présentent donc des bénéfices environnementaux.

Nouveauté projet : créer votre propre pile à combustible efficace pour une pile à combustible hydrogène-oxygène avec un électrolyte alcalin (l'auteur a utilisé une plaque à microcanaux comme membrane échangeuse de protons et des monocristaux en forme d'aiguille d'oxyde de molybdène dopés à l'or comme matériau sans platine catalyseur).

2. Partie théorique.

2.1. Réservoirs de carburant

Pile à combustible - un dispositif qui produit efficacement du courant continu et de la chaleur à partir d'un carburant riche en hydrogène par voie électrique réaction chimique.

Une pile à combustible (FC) est similaire à une batterie dans la mesure où elle produit du courant continu par réaction chimique. Comme une batterie, elle possède une anode, une cathode et un électrolyte. Cependant, contrairement aux batteries, les piles à combustible ne peuvent pas stocker d’énergie électrique et ne se déchargent pas et n’ont pas besoin d’électricité pour se recharger. Les piles à combustible peuvent produire de l’électricité en continu tant qu’elles disposent d’un approvisionnement en carburant et en air.

Bien que les premières piles à combustible soient apparues il y a plus de 100 ans, il n’a pas encore été possible de créer une pile à combustible « idéale ». Les piles à combustible actuellement existantes sont construites selon différents schémas, fonctionnent à des températures allant de la température ambiante à plusieurs centaines de degrés et utilisent un combustible liquide ou gazeux. Ce qu’ils ont tous en commun, c’est que le carburant et le comburant sont fournis à partir de réservoirs externes. Ainsi, la quantité d’énergie électrique qu’une pile à combustible peut produire n’est limitée que par la capacité de ces unités de stockage externes. Leur capacité peut être presque infinie.

Avantages. Contrairement aux piles ou batteries voltaïques traditionnelles, dans lesquelles le combustible et le comburant sont stockés à l'intérieur du boîtier et ne peuvent pas être remplacés ou ajoutés au fur et à mesure qu'ils sont épuisés, certains types de piles à combustible peuvent être utilisés immédiatement après l'alimentation du combustible et du comburant (d'autres types nécessitent une procédure préalable de démarrage). Les piles à combustible utilisant du carburant liquide ont un rendement nettement supérieur à celui des moteurs traditionnels utilisant le même carburant et connectés à un générateur électrique. Une pile à combustible convertit la réaction d’oxydation du carburant directement en énergie électrique sans dispositifs intermédiaires.

Défauts. Il s’agit notamment du coût élevé des catalyseurs au platine, qui constituent un composant essentiel de nombreux types de piles à combustible. La possibilité d'un « empoisonnement » irréversible d'un tel catalyseur en cas d'utilisation de carburant contenant des contaminants. Et par conséquent, soit une inopérabilité totale de la pile à combustible, soit une perte de puissance avec une détérioration simultanée du rendement. Se pose également le problème du stockage sûr de grands volumes d’hydrogène dans le cas des piles à combustible hydrogène-oxygène. Le prochain inconvénient est l’incapacité des piles à combustible à fournir des puissances de pointe à court terme. (Vous devez en outre installer des batteries de conceptions traditionnelles).

Actuellement, on recherche des catalyseurs efficaces sans platine et des membranes échangeuses de protons, ainsi qu'une optimisation de la conception des électrodes et une amélioration des méthodes de stockage du carburant dans le cas de l'utilisation de piles à combustible pour les véhicules.

2. 2. Types de piles à combustible

Examinons quelques types de piles à combustible. Contrairement à d’autres générateurs d’électricité, comme les moteurs à combustion interne ou les turbines alimentés au gaz, au charbon, au fioul, etc., les piles à combustible ne brûlent pas de combustible. Cela signifie pas de rotors bruyants haute pression, bruit d'échappement fort, vibrations. Les piles à combustible génèrent de l’électricité directement grâce à une réaction électrochimique silencieuse. 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 libéré si de l'hydrogène pur est utilisé comme combustible. Les FC sont assemblés en assemblages puis en modules fonctionnels séparés. Il existe plusieurs types de piles à combustible, chacune utilisant des procédés chimiques. Les piles à combustible sont généralement classées selon leur température de fonctionnement Et type d'électrolyte qu'ils utilisent. Certains types de piles à combustible conviennent à une utilisation dans des centrales électriques stationnaires, d'autres pour de petits appareils portables ou pour alimenter des voitures, etc.

Les piles à combustible sont divisées en piles à haute température et basse température.

Piles à combustible basse température nécessitent de l’hydrogène relativement pur comme carburant. Cela signifie souvent qu'un traitement du carburant est nécessaire pour convertir le carburant principal (tel que le gaz naturel) en hydrogène pur. Ce processus consomme de l'énergie supplémentaire et nécessite un équipement spécial.

Piles à combustible haute température n'ont pas besoin de cette procédure supplémentaire car ils peuvent effectuer la « conversion interne » du carburant à des températures élevées, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'investir dans une infrastructure hydrogène .

2.2.1. Pile à combustible à membrane échangeuse de polymère

La pile à combustible à membrane échangeuse de polymère (PEMFC) est l’une des technologies prometteuses des piles à combustible. Il consiste:

1. Anode- borne négative de la pile à combustible. Il conduit les électrons qui sont libérés par les molécules d'hydrogène, après quoi les électrons sont utilisés dans un circuit externe. Il comporte des canaux gravés à travers lesquels l'hydrogène gazeux est réparti uniformément sur la surface du catalyseur.

2.Cathode- la borne positive de la pile à combustible, possède également des canaux pour distribuer l'oxygène sur la surface du catalyseur. Il ramène également les électrons du circuit externe du catalyseur, où ils peuvent se combiner avec les ions hydrogène et oxygène pour former de l'eau.

3.Électrolyte - membrane échangeuse de protons. Il s'agit d'un matériau spécialement traité qui conduit uniquement les ions chargés positivement et bloque les électrons. Avec le PEMFC, la membrane doit être hydratée pour fonctionner correctement et rester stable.

4. Catalyseur- Ce matériel spécial, qui favorise la réaction de l’oxygène et de l’hydrogène. Il est généralement fabriqué à partir de nanoparticules de platine appliquées sur du papier carbone ou du tissu. Le catalyseur a une structure de surface telle que superficie maximale la surface du platine pourrait être exposée à l'hydrogène ou à l'oxygène.

La réaction dans une seule pile à combustible ne produit qu’environ 0,7 V. Pour augmenter la tension, plusieurs piles à combustible individuelles doivent être combinées.

2.2.2. Pile à combustible hydrogène-oxygène

Il s'agit d'une source de courant chimique dans laquelle un apport continu de substances actives de l'extérieur dans la zone de réaction électrochimique. Riz. 1. Il fonctionne à des températures normales ou légèrement élevées en utilisant des électrolytes aqueux. Les éléments de ce type se caractérisent par la présence d'électrodes poreuses constituées de matériaux électriquement conducteurs appropriés (charbon, nickel, etc.), partiellement imprégnés d'électrolyte, mais conservant la perméabilité aux gaz. Sur la surface interne des pores, où pénètrent les gaz actifs (hydrogène et oxygène), processus d'électrode, qui consistent en la transition des gaz adsorbés vers l'état ionique et sont à l'origine de la force électromotrice de l'élément.

Principal avantage de la pile à combustible hydrogène-oxygène proposée est que le degré d'imprégnation des électrodes créées au début (pendant la fabrication de l'élément) reste presque constant, puisqu'une imprégnation spontanée ultérieure des électrodes à partir de l'électrolyte épaissi ne se produit pas. Ou bien cela ne se produit que dans une faible mesure, ce qui détermine la grande stabilité des électrodes. Le produit fonctionne sans augmentation de la pression du gaz.

Désavantage Les électrodes fonctionnant sans pression de gaz accrue présentent une densité de courant nettement inférieure à laquelle ces électrodes peuvent résister.

Regardons de plus près une pile à combustible hydrogène-oxygène avec un électrolyte aqueux et des électrodes poreuses en nickel, charbon ou autre matériau électriquement conducteur, fonctionnant sans utilisation de surpression du gaz fourni (en particulier de l'air). TE diffère en ce que, afin d'éviter le mouillage progressif des électrodes, ainsi que d'augmenter la stabilité et l'ampleur du courant de décharge, l'électrolyte est utilisé dans un état épaissi. Les plaques d'électrodes des deux polarités (ou l'une d'elles - principalement positive) sont composées d'un grand nombre de plaques minces étroites situées parallèlement les unes aux autres et perpendiculaires au plan de la plaque d'électrode. Ils sont séparés en parties par de fins joints poreux imprégnés d'électrolyte, et le reste de gaz (hydrogène pour l'électrode négative et oxygène ou air pour l'électrode positive).

Une pile à oxygène-hydrogène avec un électrolyte alcalin est l’une des piles à combustible modernes les plus prometteuses. Son avantages consistent en la relative simplicité de conception, un haut degré de fiabilité, la possibilité d'utiliser des gaz sans purification particulière et à faible pression partielle, y compris l'utilisation d'oxygène atmosphérique. De plus, cet élément conserve les avantages des meilleures piles à combustible des autres systèmes : fonctionnement continu pendant une durée relativement longue, absence d'émissions nocives, utilisation élevée de substances actives, stabilité de tension.

2.2.3. Piles à combustible alcalines (ALFC)

Les piles à combustible alcalines (AFC) sont l’une des technologies les plus étudiées, utilisée depuis le milieu des années 1960. par la NASA dans les programmes Apollo et Space Shuttle. A bord de ces engins spatiaux, les piles à combustible produisent de l'énergie électrique et boire de l'eau. Les piles à combustible alcalines sont l’une des cellules les plus efficaces utilisées pour produire de l’électricité, avec un rendement de production d’électricité pouvant atteindre 70 %.

Les piles à combustible alcalines utilisent un électrolyte, une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium, contenue dans une matrice poreuse et stabilisée. La concentration en hydroxyde de potassium 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 du SHTE est l'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. À la suite de cette série de réactions qui ont lieu dans la pile à combustible, de l’électricité et, comme sous-produit, de la chaleur sont produites :

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

L’avantage des SHTE est qu’ils sont moins chers à produire, puisque le prix de leurs catalyseurs est inférieur. De plus, les SHFC fonctionnent à des températures relativement basses et comptent parmi les piles à combustible les plus efficaces.

Un des traits caractéristiques SHTE - haute 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 des piles à combustible. Par conséquent, l’utilisation du SHTE est limitée aux espaces clos, 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 CO, H 2 O et CH 4, qui sont sans danger pour d'autres piles à combustible, et pour certaines d'entre elles sont même du carburant, sont nocives pour le SHFC.

3. Partie expérimentale

Pour réaliser les expériences, il a été décidé de réaliser un modèle fonctionnel d'une pile à combustible hydrogène-oxygène avec un électrolyte alcalin (solution KOH). Étant donné que le fonctionnement d'une telle cellule nécessite de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux, il était également nécessaire de fabriquer un dispositif pour leur production continue - un électrolyseur. En raison du fait que la cellule chauffe pendant le fonctionnement, l'électrolyseur a été complété par un refroidisseur de gaz basé sur un réfrigérateur thermoélectrique basé sur un élément Peltier. L'électrolyseur est également chauffé à une température de 35 à 40 °C.

3.1. Fabrication de la pile à combustible

La pile à combustible est une structure sandwich à trois couches. Avec côtés 8 x 8 cm et épaisseur 7 mm. La base de la conception de la plaque est en polycarbonate transparent. La figure 2 montre une vue de la plaque latérale. On voit les raccords pour l'alimentation en gaz, le contact électrique et les vis qui serrent la structure en un seul tout. La figure 3 montre une vue de la pile à combustible depuis la surface d'extrémité.

Dans la partie centrale se trouve une fenêtre ronde dans laquelle est collée une membrane échangeuse de protons. Une plaque à microcanaux a été utilisée comme membrane. L'électrolyte, une solution de KOH à 5 %, est bien retenu dans les canaux membranaires grâce aux forces capillaires. Un grand nombre de trous de la taille du micron assure le transport sans entrave des protons à travers la plaque, qui est un isolant diélectrique. Il est chimiquement inerte vis-à-vis du potassium caustique KOH. Apparence La section centrale avec une plaque à microcanaux est illustrée à la figure 4.

Une feuille d'aluminium est collée sur les côtés de la pile à combustible et sert de contact électrique pour les électrodes. Les électrodes sont des disques en feutre de carbone. Le feutre de carbone répond aux exigences de base pour le bon fonctionnement d'une pile à combustible, à savoir une conductivité électrique élevée, une porosité de la structure pour le passage des gaz et un développement de surface pour un fonctionnement efficace du catalyseur, ainsi qu'une inertie chimique vis-à-vis de l'électrolyte KOH. . Il y a deux parties latérales. L'aspect de la plaque est représenté sur la figure 5.

Le long du périmètre, la pile à combustible est assemblée en un seul boîtier à l'aide de 9 vis. Les parties latérales sont dotées de raccords pour l'alimentation et l'évacuation du gaz.

3.2. Fabrication d'un électrolyseur pour la production continue d'hydrogène et d'oxygène

La partie principale de l'électrolyseur est un tube de verre en forme de U rempli d'une solution à 10 % de KOH. L'hydrogène et l'oxygène sont produits par la décomposition de l'eau distillée sous l'influence du courant électrique. Les électrodes passent à travers les bouchons supérieurs en caoutchouc insérés dans les coudes ouverts du tube. Vue extérieure d'un électrolyseur entièrement assemblé, auquel est connectée une pile à combustible - Fig. 6. Les gaz produits pendant le fonctionnement sont évacués via un système de tuyaux reliés aux parties supérieures du tube de verre. En raison du fait que l'eau distillée a une résistance importante et que le taux de sa décomposition sera insignifiant, un alcali est ajouté à l'eau - le potassium caustique KOH. La résistance diminue fortement, l'intensité du courant augmente et, par conséquent, le taux de décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène. Pour la résistance chimique, les électrodes immergées dans la solution sont en nickel.

Pendant le fonctionnement, le niveau d'électrolyte diminue en raison de la décomposition de l'eau et doit être ramené au niveau en ajoutant de nouvelles portions d'eau. Dans ce cas, l'alcali n'est pas consommé. Pour reconstituer le niveau d'eau sans dépressuriser l'électrolyseur, une seringue contenant de l'eau est reliée à l'un des bouchons en caoutchouc supérieurs. En une heure de fonctionnement de l'électrolyseur sous une tension de 14 V et un courant de 2 A, environ 120 cm 3 H 2 et 60 cm 3 O 2 se forment. Le taux de production de gaz est suffisant pour réaliser l'expérience. Aussi, compte tenu de l'explosivité du mélange de H 2 et O 2, la vitesse de leur production est insuffisante pour la formation de gaz détonant dans la pièce. L'hydrogène et l'oxygène entrent chacun par leurs propres conduites, se combinant uniquement à l'intérieur de la pile à combustible. Le flux de gaz peut être dirigé directement dans la pile à combustible ou stocké dans des seringues d'un volume de 60 cm 3 reliées aux canalisations. Dans ce cas, le flux de gaz vers la cellule est bloqué par des pinces à rouleaux.

Tous les éléments principaux de l'électrolyseur sont montés sur un support universel à l'aide de raccords et de pinces. La source d’alimentation est une alimentation régulée de laboratoire. L'hydrogène et l'oxygène produits lors du processus de décomposition traversent un refroidisseur utilisant un élément Peltier. Le refroidisseur est en fait un élément Peltier, sur la soudure froide duquel est installée une plaque d'aluminium à l'aide de pâte thermoconductrice KPT-8 avec tubes de cuivre pour le flux des gaz. Le débit de gaz est faible. Le gaz a donc le temps de se refroidir jusqu'à une température de +10 °C à la sortie, à une température de +20 °C à l'entrée. La soudure chaude est refroidie par un radiateur à plaques de cuivre à flux d'air forcé. Le radiateur est également fixé à la jonction chaude de l'élément Peltier à l'aide de la pâte thermoconductrice KPT-8. Figure 7.

Ainsi, les gaz sont pré-refroidis, ce qui augmente leur densité et permet d'utiliser la cellule sans prendre de mesures pour la forcer à refroidir. Lors du processus de production d’électricité, la cellule est sujette à un auto-échauffement résultant de l’interaction de l’hydrogène avec l’oxygène. Lorsque la cellule fonctionne, de l'électricité est générée et de l'eau est produite. Ce processus consiste essentiellement en la combustion d’hydrogène dans une atmosphère d’oxygène. L’échauffement de la cellule est donc normal. La consommation de courant de 5 A est la somme du courant consommé par l'électrolyseur, l'élément Peltier et le ventilateur refroidissant la soudure chaude de l'élément Peltier.

Pour confirmer les performances de la pile à combustible lorsque des monocristaux d’oxyde de molybdène en forme d’aiguille activés par l’or sont utilisés comme catalyseur, une expérience a été réalisée avec une pile sans catalyseur. Objectif : mesurer la CEM de la cellule. Après avoir connecté la cellule assemblée à l’électrolyseur, elle a été maintenue dans un flux gazeux pendant 15 minutes pour assurer l’élimination des gaz atmosphériques des électrodes poreuses. Avant l’expérience, la cellule était démontée. La membrane échangeuse de protons a été humidifiée avec une solution électrolytique - solution à 5% de KOH. La valeur EMF maximale obtenue : 15,5 mV. Ceux. sans catalyseurs, H 2 et O 2 interagissent, mais seulement légèrement.

Dans l’expérience suivante, une couche de catalyseur constituée de monocristaux en forme d’aiguilles d’oxyde de molybdène dopé à l’or a été déposée sur les extrémités d’électrodes poreuses en carbone. La cellule a été démontée à cet effet. Le catalyseur a été appliqué aux deux électrodes. Le catalyseur broyé (Fig. 8) a été versé sur la surface de l'électrode et réparti uniformément. C'était de la partie de l'électrode qui fait face au revêtement d'aluminium. La cellule a été assemblée et connectée à l'électrolyseur. Elle a été maintenue sous un flux de gaz pendant 15 minutes. Valeur EMF maximale en cas d'utilisation de catalyseurs : 600 mV. Ceux. le catalyseur a considérablement augmenté la quantité d’hydrogène et d’oxygène réagissant les uns avec les autres. (Les modèles les plus connus de piles à combustible similaires avec un électrolyte alcalin et des catalyseurs à base de platine ont une force électromotrice légèrement supérieure à 1 V.)

4. Conclusion

Résultats du projet : 1. Étudié base théorique fonctionnement des piles à combustible hydrogène-oxygène à électrolyte alcalin. 2. Un modèle opérationnel démontable d'une pile à combustible dotée d'une membrane échangeuse de protons constituée d'une plaque à microcanaux et d'électrodes poreuses en carbone a été fabriqué. 3. Un électrolyseur a été fabriqué pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène. 4. Une expérience a été menée sur application efficace comme catalyseur sans platine pour les monocristaux en forme d'aiguille MoO 3 dopés à l'or.

5. Littérature

1. « Yusti E., Vinzel A. Piles à combustible. - M. : Mir, 1964. - 305 p.

2 http vezdehod-strannik.ru

3. http://att-vesti.neva.ru/J33-2.HTM

4. V.N. Varypaev, M.A. Dasoyan. Sources de courant chimique : - M. : Mir, 1990. - 240 ch.

5. https://postnauka.ru/faq/59642# !

6. Candidatures

Riz. 1 - Processus se produisant lors du fonctionnement d'une pile à combustible

Riz. 2 - Pile à combustible. Riz. 3 - Vue depuis la surface d'extrémité

Riz. 4 - Section centrale avec membrane Fig. 5 - Capot latéral.

Riz. 7 - Refroidisseur thermoélectrique basé sur un élément Peltier

Riz. 8 a - Catalyseur (oxyde de molybdène MoO 3 ) grossissement 400 fois ; b - image sur un microscope à force atomique (Centre d'utilisation collective, Université d'État d'Ossétie du Nord)

L'entrepreneur Danila Shaposhnikov dit qu'il s'est engagé à commercialiser le produit depuis son laboratoire. La startup AT Energy fabrique des piles à combustible à hydrogène qui permettront aux drones de voler bien plus longtemps qu’aujourd’hui.

L'entrepreneur Danila Shaposhnikov aide les scientifiques Yuri Dobrovolsky et Sergei Nefedkin à commercialiser leur invention : des piles à combustible à hydrogène compactes qui peuvent fonctionner plusieurs heures sans craindre le gel et l'humidité. L'entreprise qu'ils ont créée, AT Energy, a déjà levé environ 100 millions de roubles. investissements et se prépare à conquérir le marché mondial des drones de 7 milliards de dollars, qui utilise jusqu'à présent principalement des batteries lithium-ion.

Du laboratoire au marché

L'entreprise a été lancée grâce à la connaissance de Shaposhnikov de deux docteurs en sciences dans le domaine de l'énergie et de l'électrochimie - Dobrovolsky de l'Institut des problèmes de physique chimique de l'Académie des sciences de Russie à Tchernogolovka et Nefedkin, qui dirige le Centre pour l'énergie hydrogène à l'Université de Moscou. Institut de l'énergie. Les professeurs avaient une idée sur la façon de fabriquer des piles à combustible à basse température, mais ils ne savaient pas comment commercialiser leur invention. «J'ai agi comme un entrepreneur-investisseur qui a pris le risque de mettre sur le marché un produit issu du laboratoire», se souvient Shaposhnikov dans une entrevue avec RBC.

En août 2012, Shaposhnikov, Dobrovolsky et Nefedkin ont enregistré la société AT Energy (A.T. Energy LLC) et ont commencé à préparer prototypes. L'entreprise a déposé une demande et est devenue résidente de Skolkovo. Tout au long de l’année 2013, dans la base louée de l’institut à Tchernogolovka, les fondateurs d’AT Energy ont travaillé pour augmenter radicalement la durée de vie des batteries à pile à combustible. "Tchernogolovka est une ville scientifique, il est assez facile d'y trouver et d'attirer des laborantins, des ingénieurs et des électrochimistes", explique Shaposhnikov. Ensuite, AT Energy a déménagé dans le parc technologique Chernogolovsky. C'est là qu'est apparu le premier produit : une pile à combustible pour drones.

Le « cœur » de la pile à combustible développée par AT Energy est une unité membrane-électrode dans laquelle se produit une réaction électrochimique : d'un côté de l'air contenant de l'oxygène, de l'autre côté de l'hydrogène gazeux comprimé, et de l'énergie est ainsi générée. de la réaction chimique d’oxydation de l’hydrogène.

Pour un produit réel, AT Energy a pu recevoir deux subventions de Skolkovo (d'un montant de près de 47 millions de roubles) et également attirer environ 1 million de dollars d'investissements. Le projet a été soutenu par le fonds North Energy Ventures (qui a reçu 13,8 % d'AT Energy, son partenaire est Shaposhnikov lui-même), le fonds de capital-risque Phystech Ventures (13,8 %), fondé par des diplômés de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, et le développeur Morton (10% ); Shaposhnikov et Dobrovolsky détiennent désormais directement 26,7 % d'AT Energy, et Nefedkin - 9 % (le tout selon le Registre d'État unifié des entités juridiques).

AT Energie en chiffres
Environ 1 00 millions de roubles.— montant total des investissements attirés
3-30kg- de nombreux drones pour lesquels AT Energy fabrique des systèmes d'alimentation
7 milliards de dollars par an - le volume du marché mondial des drones en 2015
90 millions de dollars— volume du marché russe des drones militaires en 2014
5 millions de dollars— volume du marché russe des drones civils en 2014
2,6 milliards de dollars— volume du marché mondial des piles à combustible en 2014
Source : données de l'entreprise, Business Insider, Markets & Markets

Vole plus longtemps, encore plus longtemps

Aujourd’hui, près de 80 % des drones dans le monde sont utilisés moteurs électriques, qui sont alimentés par des batteries lithium-ion ou lithium-polymère. « Le plus gros problème avec les batteries est qu’elles ont des limites de capacité énergétique en raison de leur taille. Si vous voulez deux fois plus d'énergie, installez une autre batterie, et une autre, etc. Et chez les drones, le paramètre le plus important est sa masse », explique Shaposhnikov.

Le poids du drone détermine sa charge utile - le nombre d'appareils qui peuvent y être accrochés (par exemple, des caméras, des caméras thermiques, des appareils de numérisation, etc.), ainsi que le temps de vol. Aujourd’hui, les drones volent généralement entre une demi-heure et une heure et demie. "Ce n'est pas intéressant pendant une demi-heure", dit Shaposhnikov. "Il s'avère que dès que vous le soulevez dans les airs, il est temps de changer la batterie." De plus, les batteries lithium-ion se comportent de manière capricieuse à basse température. Shaposhnikov affirme que les piles à combustible développées par AT Energy permettent aux drones de voler jusqu'à cinq fois plus longtemps : de deux heures et demie à quatre heures, et ne craignent pas le gel (jusqu'à moins 20 degrés).

AT Energy achète des consommables et des composants pour ses batteries en Russie et à l'étranger. "Les développements scientifiques impliquent de petites séries, nous ne pouvons donc pas encore donner aux fabricants russes potentiels des composants dont nous avons besoin un horizon de planification leur permettant de localiser leur production", explique Shaposhnikov.

En 2014, AT Energy a finalisé ses premiers contrats : elle a fourni à l'armée 20 systèmes de batteries basés sur ses piles à combustible (Shaposhnikov ne nomme pas le client). Ils étaient également équipés de drones de la société AFM-Servers, qui les a utilisés lors du tournage des Jeux olympiques de Sotchi. "L'un des objectifs de l'entreprise était de tester nos systèmes sur des drones, et peu nous importait qu'ils nous paient ou non", se souvient Shaposhnikov. À ce jour, AT Energy a signé un certain nombre de contrats et de pré-contrats dont le chiffre d'affaires potentiel, selon Shaposhnikov, est de 100 millions de roubles. (principalement avec des agences gouvernementales).

Shaposhnikov ne divulgue pas les résultats financiers d'AT Energy. Selon Kontur.Focus, en 2014, l'entreprise a réalisé un chiffre d'affaires de 12,4 millions de roubles. et une perte nette de 1,2 million de roubles. Le coût des piles à combustible d'une puissance allant jusqu'à 0,5 kW produites par AT Energy, selon Shaposhnikov, varie de 10 à 25 000 dollars, selon le type de drone, les tâches auxquelles il est confronté, la durée du vol et d'autres paramètres.

Selon Shaposhnikov, la dévaluation du rouble facilitera l'entrée de l'entreprise sur le marché mondial. «Nous nous sommes fixés pour objectif d'établir des relations avec des acteurs occidentaux en 2016 et de réaliser en 2017 les premiers produits destinés aux principaux types de drones étrangers», précise-t-il.

INVESTISSEUR

« AT Energy a réussi à créer une pile à combustible aux caractéristiques uniques »

Oleg Pertsovsky, directeur des opérations du cluster des technologies économes en énergie de la Fondation Skolkovo

«Ils ont réussi à fabriquer un appareil qui fonctionne à des températures inférieures à zéro, tout en étant assez compact et peu coûteux. Pour les projets à forte intensité scientifique, quatre ans est une courte période, ils avancent donc à un rythme normal, à notre avis. Les drones constituent l’un des domaines évidents et les plus prometteurs pour l’utilisation des piles à combustible. En remplaçant la source d'alimentation, le drone pourra augmenter plusieurs fois son temps de vol avec les mêmes caractéristiques masse-dimensionnelles. Il existe également un marché pour l’alimentation électrique autonome, par exemple pour les réseaux cellulaires, où il existe un grand besoin d’alimentations de faible puissance dans les zones reculées où les réseaux électriques ne sont pas connectés.

"Créer un produit compétitif et entrer sur ce marché comporte des risques d'investissement importants"

Sergey Filimonov, responsable du fonds de capital-risque GS Venture (au sein du groupe GS)

« Le marché des piles à combustible de grande capacité est bien plus vaste et complexe que celui des drones. Mais les piles à combustible devront concurrencer un certain nombre de sources d’énergie existantes, tant en termes d’efficacité que de coût. Créer un produit compétitif et entrer sur ce marché comportent des risques d’investissement importants. Pour GS Venture, les domaines des drones et des piles à combustible sont assez intéressants, mais le fonds n'est pas prêt à investir dans une startup simplement parce que cette société opère dans une zone en développement et s'adresse à un marché en croissance active.

CLIENTS

"Ce meilleure technologie sur le marché, mais trop cher"

Oleg Panfilenok, fondateur et PDG Hélicoptère Express

« AT Energy dispose d’une technologie très performante. La combinaison d’une « pile à combustible plus une bouteille d’hydrogène » permet d’atteindre une intensité énergétique fiable, nettement supérieure à celle des batteries lithium-polymère ou lithium-ion. Nous avons déjà conçu un drone cartographique d'environ 1 mètre de diamètre, capable de survoler une vaste zone. Si vous y installez des piles à combustible à hydrogène, il volera jusqu'à quatre heures. Ce serait pratique et efficace ; vous n’auriez pas besoin de vous asseoir plusieurs fois pour recharger l’appareil.

À l’heure actuelle, c’est certainement la meilleure technologie du marché, mais il y a un problème : elle est trop chère pour nous. Une batterie d'AT Energy peut coûter environ 500 000 roubles. - un ordre de grandeur supérieur à une batterie lithium polymère. Oui, c'est une fois et demie moins cher que ses homologues étrangers, mais il nous en faut dix. Nous ne sommes pas des militaires qui ont des budgets, nous sommes une entreprise commerciale et nous ne sommes pas prêts à payer beaucoup d’argent. Pour l’armée, les caractéristiques d’un drone sont plus importantes que son coût, mais pour le commerce, au contraire, c’est mieux si c’est pire, mais moins cher.»

"Le temps de vol d'un drone est le facteur le plus important pour de nombreuses missions."

Maxim Shinkevich, PDG du groupe d'entreprises Unmanned Systems

« Nous connaissons très bien AT Energy et avons signé un accord de coopération avec eux. Nous avons récemment achevé le développement d'un nouveau multicoptère plus grand avec une charge utile allant jusqu'à 2 kg, qui sera équipé de piles à combustible d'AT Energy et volera dessus de 2,5 à 4 heures. Utilisant des batteries au lithium, un tel drone ne volerait que 30 minutes. Ce drone peut être utilisé aussi bien à des fins civiles que militaires - c'est un système de vidéosurveillance pour rechercher et sauver des personnes, nous sommes déjà prêts à le lancer en série. Nous avons déjà le premier client civil pour celui-ci, et dès que nous le montrerons en action, d'autres contrats apparaîtront.

L’un des principaux problèmes liés à l’utilisation massive des piles à combustible est l’absence d’un réseau de stations permettant de les recharger. Elles sont plus chères que les batteries (en conséquence, le coût d'un drone qui les utilise augmente de 15 %), mais en retour, vous obtenez plus du double du temps de vol. Le temps de vol des drones est le facteur le plus important pour de nombreuses applications.

Natalia Souvorova

Avantages des piles/piles à combustible

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

Une pile à combustible est similaire à une batterie dans la mesure où elle produit du courant continu grâce à 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 et ne se déchargent pas et n’ont pas besoin d’électricité pour se recharger. Les piles à combustible peuvent produire de l’électricité en continu tant qu’elles disposent d’un approvisionnement en carburant et en air.

Contrairement à d'autres générateurs d'électricité, tels que les moteurs à combustion interne ou les turbines alimentés 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 grande quantité gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone, le méthane et l'oxyde nitreux. 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 libéré si de l'hydrogène pur est utilisé comme combustible. Les éléments/piles combustibles sont assemblés en assemblages puis en modules fonctionnels individuels.

Histoire du développement des piles à combustible

Dans les années 1950 et 1960, l'un des défis les plus critiques pour les piles à combustible est né du besoin de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) des États-Unis de disposer de sources d'énergie de longue durée. missions spatiales. La pile à combustible alcaline de la NASA utilise l'hydrogène et l'oxygène comme combustible en combinant les deux éléments chimiques dans une réaction électrochimique. Le résultat est trois sous-produits utiles de la réaction lors du vol spatial : l’électricité pour alimenter le vaisseau spatial, l’eau pour les systèmes de boisson et de refroidissement et la chaleur pour réchauffer les astronautes.

La découverte des piles à combustible remonte à début XIX 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 utilisant des électrodes nickelées à haute pression a été construite. Pendant la Seconde Guerre mondiale, des piles à combustible ont été développées pour les sous-marins de la marine britannique et, en 1958, un assemblage combustible composé de piles à combustible alcalines d'un diamètre d'un peu plus de 25 cm a été introduit.

L’intérêt s’est accru dans les années 1950 et 1960, ainsi que dans les années 1980, lorsque le monde industrialisé a connu une pénurie de carburants pétroliers. Au cours de la même période, les pays du monde entier se sont également préoccupés du problème de la pollution atmosphérique et ont réfléchi aux moyens de produire de l’électricité de manière respectueuse de l’environnement. La technologie des piles à combustible connaît actuellement un développement rapide.

Principe de fonctionnement des piles à combustible

Les piles à combustible produisent de l'électricité et de la chaleur grâce à une réaction électrochimique se déroulant 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 arrive à l'anode et l'oxygène à la cathode, une réaction chimique commence, à la suite de laquelle électricité, chaleur et eau.

Au niveau du catalyseur anodique, l'hydrogène moléculaire se dissocie et perd des électrons. Les ions hydrogène (protons) sont conduits à travers l'électrolyte jusqu'à la cathode, tandis que les électrons traversent l'électrolyte et traversent l'extérieur. circuit électrique, créant un courant continu qui peut être utilisé pour alimenter des équipements. Au niveau du catalyseur cathodique, une molécule d'oxygène se combine avec un électron (qui provient de 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).

Ci-dessous 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 d'éléments/piles combustibles

Tout comme il existe différents types de moteurs à combustion interne, il existe Divers types Piles à combustible – Le choix du type approprié de pile à combustible 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 qu'un traitement du carburant est nécessaire pour convertir le carburant principal (tel que 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 carburant à des températures élevées, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'investir dans une infrastructure d'hydrogène.

Piles/piles à combustible à carbonate fondu (MCFC)

Le fonctionnement du RCFC diffère des autres piles à combustible. Ces cellules utilisent un électrolyte constitué d'un mélange de sels de carbonate fondus. Actuellement, deux types de mélanges sont 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 avec électrolyte de carbonate fondu fonctionnent à hautes températures(650°C). L'efficacité varie entre 60 et 80 %.

Lorsqu'ils sont chauffés à une température de 650°C, les sels deviennent conducteurs pour les ions carbonate (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 à la cathode via un circuit électrique externe, générant du courant électrique et de la chaleur comme 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 à carbonate fondu présentent certains avantages. À haute température, le gaz naturel est reformé en interne, éliminant ainsi le besoin d’un processeur de combustible. De plus, les avantages incluent la possibilité d'utiliser des matériaux de construction standards tels que la tôle. acier inoxydable et 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 nécessite 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. Les températures élevées empêchent le monoxyde de carbone d'endommager la pile à combustible.

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

Piles/piles à combustible à acide phosphorique (PAFC)

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

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

Le porteur de charge dans les piles à combustible de ce type est l’hydrogène (H+, proton). Un processus similaire se produit dans les piles à combustible dotées d’une membrane échangeuse de protons, dans lesquelles l’hydrogène fourni à l’anode est divisé en protons et en électrons. Les protons voyagent à travers l’électrolyte et se combinent avec l’oxygène de l’air au niveau de la cathode pour former de l’eau. Les électrons sont envoyés à travers un circuit électrique externe, générant ainsi un 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

L'efficacité des piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) est supérieure 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 résiduelle peut être utilisée pour chauffer de l’eau et générer de la vapeur à pression atmosphérique.

Les performances élevées des centrales thermiques utilisant des piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) dans la production combinée d'énergie thermique et électrique constituent l'un des avantages de ce type de piles à combustible. Les unités utilisent du monoxyde de carbone avec une concentration d'environ 1,5 %, ce qui élargit considérablement le choix de carburant. De plus, le CO 2 n'altère pas l'électrolyte et le fonctionnement de la pile à combustible : ce type de pile fonctionne avec du combustible naturel reformé. Conception simple, un faible degré de 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 allant jusqu'à 500 kW sont produites commercialement. Les installations de 11 MW ont passé avec succès les tests appropriés. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 100 MW sont en cours de développement.

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide sont les piles à combustible fonctionnant à des températures de fonctionnement les plus élevées. Température de fonctionnement peut varier de 600°C à 1000°C, permettant l'utilisation de différents types de carburant sans prétraitement particulier. Pour supporter des températures aussi élevées, l’électrolyte utilisé est un mince oxyde métallique solide sur une base céramique, souvent un alliage d’yttrium et de zirconium, conducteur des ions oxygène (O2-).

L'électrolyte solide assure une transition étanche du gaz d'une électrode à l'autre, tandis que les électrolytes liquides sont situés dans un substrat poreux. Le porteur de charge dans les piles à combustible de ce type est l'ion oxygène (O 2-). À 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, créant quatre électrons libres. Les électrons sont envoyés 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 produite est la plus élevée de toutes les piles à combustible - environ 60 à 70 %. Des températures de fonctionnement élevées permettent une production combinée d'énergie thermique et électrique pour générer de la vapeur à haute pression. La combinaison d'une pile à combustible haute température avec une turbine crée une pile à combustible hybride pour accroître l'efficacité générant de l'énergie électrique jusqu'à 75%.

Les piles à combustible à oxyde solide fonctionnent à des températures très élevées (600 °C à 1 000 °C), ce qui nécessite un temps considérable pour atteindre des conditions de fonctionnement optimales et une réponse plus lente du système aux changements de consommation d'énergie. À des températures de fonctionnement aussi élevées, aucun convertisseur n'est 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, etc. La pile à combustible est également excellente pour les applications à forte puissance, notamment les centrales industrielles et les grandes centrales électriques. Des modules d'une puissance électrique de sortie de 100 kW sont produits commercialement.

Piles/piles à combustible à oxydation directe du méthanol (DOMFC)

La technologie consistant à utiliser des piles à combustible avec oxydation directe du méthanol connaît une période de développement actif. Il a fait ses preuves dans le domaine de l'alimentation des téléphones mobiles, des ordinateurs portables, ainsi que dans la création de sources d'alimentation portables. C’est à cela que vise l’utilisation future de ces éléments.

La conception des piles à combustible à oxydation directe du méthanol est similaire aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MEPFC), 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) s'oxyde en présence d'eau à l'anode, libérant du CO 2, des ions hydrogène et des électrons, qui sont envoyés dans 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 au niveau de 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 leur petite taille, due à l'utilisation de combustible liquide, et l'absence de besoin d'utiliser un convertisseur.

Piles/piles à combustible alcalines (ALFC)

Les piles à combustible alcalines sont l’une des cellules les plus efficaces utilisées pour produire de l’électricité, avec un rendement de production d’électricité pouvant atteindre 70 %.

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 du SHTE est que ces piles à combustible sont les moins chères à produire, puisque le catalyseur requis sur les électrodes peut être n’importe quelle substance moins chère que celles utilisées comme catalyseurs pour d’autres piles à combustible. Les SHFC fonctionnent à des températures relativement basses et comptent parmi les piles à combustible les plus efficaces. De telles caractéristiques peuvent donc contribuer à une production d'énergie plus rapide et haute efficacité carburant.

L'une des caractéristiques du SHTE est sa grande sensibilité au CO 2 , qui peut être contenu dans le carburant ou dans 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 du SHTE est limitée aux espaces clos, 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 CO, H 2 O et CH4, qui sont sans danger pour d'autres piles à combustible, et qui servent même de carburant à certaines d'entre elles, sont nocives pour les SHFC.

Piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC)

Dans le cas des piles à combustible à électrolyte polymère membrane polymère se compose de fibres polymères avec des régions d'eau dans lesquelles il y a une conduction d'ions d'eau H 2 O + (proton, rouge) se fixe à une molécule d'eau). Les molécules d’eau posent un problème en raison de la lenteur des échanges d’ions. Par conséquent, une concentration élevée d’eau est requise à la fois dans le carburant et au niveau des électrodes de sortie, limitant la température de fonctionnement à 100°C.

Piles/piles à combustible solide (SFC)

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

Divers modules de pile à combustible. Batterie à pile à combustible

Batterie à 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 économes en énergie sont généralement construites sur des piles à combustible à oxyde solide (SOFC), des piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC), des piles à combustible à acide phosphorique (PAFC), des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible alcalines ( ALFC). . Présentent généralement les caractéristiques suivantes :

Les plus adaptées devraient être considérées comme les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), qui :

fonctionner à des températures plus élevées, réduisant ainsi le besoin de coûteux métaux précieux(comme le platine)
peut travailler pour divers types carburants à base d'hydrocarbures, principalement du gaz naturel
ont un temps de démarrage plus long et sont donc mieux adaptés à une action à long terme
démontrer une efficacité de production d’énergie élevée (jusqu’à 70 %)
En raison des températures de fonctionnement élevées, les unités peuvent être combinées avec des systèmes de transfert de chaleur, ce qui porte l'efficacité globale du système à 85 %
ont pratiquement zéro émission, fonctionnent silencieusement et ont de faibles exigences de fonctionnement 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
FCTE	100-220°C	35-40%	Hydrogène pur	Grandes installations
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations
SOFC	450–1 000 °C	45-70%	La plupart des carburants à base d'hydrocarbures	Petites, moyennes et grandes installations
PEMFC	20-90°C	20-30%	Méthanol	Portable
SHTE	50-200°C	40-70%	Hydrogène pur	Recherche spatiale
PETIT	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations

Étant donné que les petites centrales thermiques peuvent être connectées à un réseau d’approvisionnement en gaz conventionnel, les piles à combustible ne nécessitent pas de système d’approvisionnement en hydrogène séparé. Lors de l'utilisation de petites centrales thermiques basées sur des piles à combustible à oxyde solide, la chaleur générée peut être intégrée dans des échangeurs de chaleur pour chauffer l'eau et air de ventilation, augmentant ainsi l’efficacité globale du système. Ce technologie innovante le mieux adapté pour une production d’électricité efficace sans avoir besoin d’une infrastructure coûteuse et d’une intégration d’instruments complexes.

Application des piles/piles à combustible

Application des piles à combustible/piles dans les systèmes de télécommunication

En raison de la diffusion rapide des systèmes Communication sans fil Dans le monde entier et compte tenu des avantages socio-économiques croissants de la technologie de téléphonie mobile, le besoin d'une alimentation de secours fiable et rentable est devenu critique. Pertes du réseau électrique tout au long de l'année en raison de la mauvaise conditions météorologiques, les catastrophes naturelles ou la capacité limitée des réseaux constituent un défi constant pour les opérateurs de réseaux.

Les solutions traditionnelles de secours pour l'alimentation des télécommunications incluent des batteries (pile au plomb batterie régulés par vanne) pour une alimentation de secours à court terme, et des générateurs diesel et propane pour une alimentation de secours à long terme. Les batteries constituent une source d’alimentation de secours relativement bon marché pendant 1 à 2 heures. Cependant, les batteries ne conviennent pas à une alimentation de secours à long terme car elles sont coûteuses à entretenir, deviennent peu fiables après de longues périodes d'utilisation, sont sensibles aux températures et sont dangereuses pour l'environnement après leur élimination. Les générateurs au diesel et au propane peuvent fournir une alimentation de secours à long terme. Cependant, les générateurs peuvent être peu fiables, nécessiter un entretien approfondi et rejeter des niveaux élevés de polluants et de gaz à effet de serre.

Afin d'éliminer les restrictions solutions traditionnelles Dans le domaine de l'alimentation de secours, une technologie innovante de piles à combustible respectueuses de l'environnement 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, permettent des niveaux d'économies d'énergie extrêmement élevés. De plus, les coûts de durée de vie d’une telle installation sont inférieurs à ceux d’un générateur. La réduction des coûts des piles à combustible résulte d’une seule visite de maintenance par an et d’une productivité de l’usine nettement plus élevée. En fin de compte, la pile à combustible est une solution technologique verte avec un impact environnemental minimal.

Les installations à piles à combustible fournissent une alimentation de secours aux infrastructures de réseaux de communications critiques pour les communications sans fil, permanentes et à large bande dans le système de télécommunications, allant de 250 W à 15 kW, elles offrent de nombreuses fonctionnalités innovantes inégalées :

FIABILITÉ– peu de pièces mobiles et pas de décharge en mode veille
ÉCONOMIE D'ÉNERGIE
SILENCE– faible niveau sonore
DURABILITÉ– plage de fonctionnement de -40°C à +50°C
ADAPTABILITÉ– installation en extérieur et en intérieur (conteneur/conteneur de protection)
HAUTE PUISSANCE– jusqu'à 15 kW
FAIBLE EXIGENCE D’ENTRETIEN– entretien annuel minimal
ÉCONOMIQUE- coût total de possession attractif
ÉNERGIE VERTE– faibles émissions avec un impact minimal sur l’environnement

Le système détecte la tension du bus CC à tout moment et accepte en douceur les charges critiques si la tension du bus CC chute en dessous d'un point de consigne défini par l'utilisateur. Le système fonctionne à l'hydrogène, qui est fourni à la pile à combustible de deux manières : soit à partir d'une source d'hydrogène industrielle, soit à partir d'un carburant liquide composé de méthanol et d'eau, en utilisant un système de reformage intégré.

L'électricité est produite par la pile à combustible sous forme de courant continu. La puissance CC est transférée à un convertisseur, qui convertit la puissance CC non régulée provenant de la pile à combustible en puissance CC régulée de haute qualité pour les charges requises. Les installations de piles à combustible peuvent fournir une alimentation de secours pendant plusieurs jours, car la durée n'est limitée que par la quantité d'hydrogène ou de méthanol/eau disponible.

Les piles à combustible offrent des économies d'énergie supérieures, une fiabilité améliorée du système, des performances plus prévisibles dans une large gamme de climats et une durabilité opérationnelle fiable par rapport aux batteries au plomb-acide à régulation par valve standard de l'industrie. Les coûts de durée de vie sont également inférieurs en raison de 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 constituent 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, le cyclage, la durée de vie et d'autres variables. L'énergie fournie varie en fonction de ces facteurs et n'est pas facile à prévoir. Les performances d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont relativement peu affectées par ces facteurs et peuvent fournir une énergie critique tant que du carburant est disponible. Une prévisibilité accrue est avantage important lors de la transition vers les piles à combustible pour les applications critiques de secours d’alimentation.

Les piles à combustible génèrent de l'énergie uniquement lorsque du carburant est fourni, comme un générateur à turbine à gaz, mais n'ont aucune pièce mobile dans la zone de production. Par conséquent, contrairement à un générateur, ils ne sont pas sujets à une usure rapide et ne nécessitent pas d'entretien et de lubrification constants.

Le carburant utilisé pour entraîner le convertisseur de carburant à durée prolongée est un mélange de méthanol et d'eau. Le méthanol est largement disponible, produit en échelle industrielle un carburant qui a actuellement de nombreuses utilisations, entre autres lave-glaces, bouteilles en plastique, additifs moteur, peintures en émulsion. Le méthanol est facilement transportable, peut être mélangé à l’eau, présente une bonne biodégradabilité et ne contient pas de soufre. Il a un point de congélation bas (-71°C) et ne se décompose pas lors d'un stockage à long terme.

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

Les réseaux de communications sécurisés nécessitent des solutions d'alimentation de secours fiables, capables de fonctionner pendant des heures ou des jours dans des situations d'urgence si le réseau électrique n'est plus disponible.

Avec peu de pièces mobiles et aucune perte de puissance en veille, la technologie innovante des piles à combustible offre une solution intéressante aux systèmes d'alimentation de secours actuels.

L’argument le plus convaincant en faveur de l’utilisation de la technologie des piles à combustible dans les réseaux de communication est la fiabilité et la sécurité globales accrues. Lors d'événements 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 bénéficient d'une alimentation de secours fiable sur une période prolongée, quelle que soit la température ou l'âge du système d'alimentation de secours.

La gamme de dispositifs électriques basés sur des piles à combustible est idéale pour prendre en charge les réseaux de communications classifiés. Grâce à leurs principes de conception économes en énergie, ils fournissent une alimentation de secours fiable et respectueuse de l'environnement avec une durée prolongée (jusqu'à plusieurs jours) pour une utilisation dans la plage de puissance de 250 W à 15 kW.

Application des piles à combustible/piles 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, revêt 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. Une panne de courant dans de tels réseaux présente non seulement un danger pour les informations transmises, mais entraîne également, en règle générale, des pertes financières importantes. Des installations de piles à combustible fiables et innovantes qui fournissent une alimentation électrique de secours offrent la fiabilité nécessaire pour garantir une alimentation électrique ininterrompue.

Les unités à pile à combustible, alimentées par un mélange de carburant liquide composé de méthanol et d'eau, fournissent une alimentation de secours fiable avec une durée prolongée, 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 des sites d'application pour l'utilisation d'installations de piles à combustible dans des réseaux de données :

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

Les installations de secours par pile à combustible offrent de nombreux avantages pour les infrastructures de réseau de données critiques par rapport aux générateurs à batterie ou diesel traditionnels, permettant ainsi des options de déploiement sur site accrues :

La technologie des combustibles liquides résout le problème du placement de l’hydrogène et fournit une alimentation de secours pratiquement illimitée.
Grâce à leur fonctionnement silencieux, leur faible poids, leur résistance aux changements de température et leur fonctionnement pratiquement sans vibrations, les piles à combustible peuvent être installées à l'extérieur des bâtiments, dans des bâtiments/conteneurs industriels ou sur les toits.
Les préparatifs pour l'utilisation du système sur site sont rapides et économiques, et les coûts d'exploitation sont faibles.
Le carburant est biodégradable et constitue une solution respectueuse de l'environnement pour les environnements urbains.

Application des piles à combustible/piles dans les systèmes de sécurité

Les systèmes de sécurité et de communication des bâtiments les plus soigneusement conçus sont aussi fiables que l’alimentation électrique qui les prend en charge. Bien que la plupart des systèmes incluent un certain type de système de secours sans interruption pour les pertes de courant à court terme, ils ne prennent pas en charge les pannes de courant à plus long terme qui peuvent survenir après des catastrophes naturelles ou des attaques terroristes. Cela pourrait constituer un problème crucial pour de nombreuses entreprises et agences gouvernementales.

Systèmes vitaux tels que les systèmes de surveillance et de contrôle d'accès utilisant la vidéosurveillance (lecteurs de cartes d'identité, dispositifs de verrouillage des portes, technologie d'identification biométrique, etc.), automatiques alarme incendie et les systèmes d'extinction d'incendie, les systèmes de contrôle des ascenseurs et les réseaux de télécommunications sont menacés en l'absence d'une alimentation électrique fiable, alternative et durable.

Les générateurs diesel font beaucoup de bruit, sont difficiles à placer et présentent des problèmes bien connus de fiabilité et de fiabilité. maintenance technique. En revanche, une installation de pile à combustible fournissant une alimentation de secours est silencieuse, fiable, ne produit aucune ou très faible émission et peut être facilement installée sur un toit ou à l’extérieur d’un bâtiment. Il ne se décharge pas et ne perd pas de puissance en mode veille. Il garantit le fonctionnement continu des systèmes critiques, même après la cessation des activités de l'installation et la libération du bâtiment.

Les installations innovantes de piles à combustible protègent les investissements coûteux dans les applications critiques. Ils fournissent une alimentation de secours fiable et respectueuse de l'environnement avec une durée prolongée (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, surtout, haut niveauéconomie d'énergie.

Les installations 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 contrôle de bâtiment par rapport aux applications traditionnelles alimentées par batterie ou par générateur diesel. La technologie des combustibles liquides résout le problème du placement de l’hydrogène et fournit une alimentation de secours pratiquement illimitée.

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

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fournissent des centrales thermiques fiables, économes en énergie et sans émissions pour produire de l'électricité et de la chaleur à partir de gaz naturel et de sources de carburant renouvelables largement disponibles. Ces installations innovantes sont utilisées dans une variété de marchés, de la production d'électricité domestique à l'alimentation électrique à distance, en passant par les alimentations auxiliaires.

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

Les petites centrales thermiques 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 la perte d'efficacité de la production d'électricité lorsqu'elle est produite dans une centrale thermique et transportée jusqu'aux habitations via les réseaux de transport d'électricité traditionnels actuellement utilisés. Les pertes d’efficacité dans la production centralisée comprennent les pertes provenant de la centrale électrique, du transport basse et haute tension et des pertes de distribution.

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

Utilisation de 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. Méthodes existantes L’utilisation du gaz de pétrole associé présente de nombreux inconvénients, le principal étant qu’il n’est pas économiquement viable. Le gaz de pétrole associé est brûlé, ce qui cause d'énormes dommages à l'environnement et à la santé humaine.

Les centrales thermiques innovantes utilisant des piles à combustible utilisant le gaz de pétrole associé comme combustible ouvrent la voie à des solutions radicales et économiques. solution rentable problèmes liés à l’utilisation du gaz de pétrole associé.

L’un des principaux avantages des installations de piles à combustible est qu’elles peuvent fonctionner de manière fiable et stable avec du gaz de pétrole associé de composition variable. En raison de la réaction chimique sans flamme qui est à la base du fonctionnement de la pile à combustible, une diminution du pourcentage de méthane, par exemple, entraîne uniquement une diminution correspondante de la puissance délivrée.
Flexibilité par rapport à la charge électrique des consommateurs, chute, surtension.
Pour l'installation et le raccordement de centrales thermiques sur piles à combustible, leur mise en œuvre ne nécessite pas de coûts d'investissement, car Les unités peuvent être facilement installées sur des sites non préparés à proximité des champs, sont faciles à utiliser, fiables et efficaces.
Une automatisation élevée et une télécommande moderne ne nécessitent pas résidence permanente personnel d'installation.
Simplicité et perfection technique de la conception : l'absence de pièces mobiles, de frictions et de systèmes de lubrification apporte un gain considérable bénéfices économiques du fonctionnement des installations de piles à combustible.
Consommation d'eau : nulle à des températures ambiantes jusqu'à +30 °C et négligeable à des températures plus élevées.
Sortie d'eau : aucune.
De plus, les centrales thermiques utilisant des piles à combustible ne font pas de bruit, ne vibrent pas, ne produisent pas d’émissions nocives dans l’atmosphère

Tout comme il existe différents types de moteurs à combustion interne, il existe différents types de piles à combustible : le choix du bon type de pile à combustible dépend de son application.

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

Piles à combustible à carbonate fondu (MCFC)

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

Le fonctionnement du RCFC diffère des autres piles à combustible. Ces cellules utilisent un électrolyte constitué d'un mélange de sels de carbonate fondus. Actuellement, deux types de mélanges sont 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 avec électrolyte de carbonate fondu fonctionnent à des températures élevées (650°C). L'efficacité varie entre 60 et 80 %.

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

Les températures de fonctionnement élevées des piles à combustible à électrolyte à carbonate fondu présentent certains avantages. À haute température, le gaz naturel est reformé en interne, éliminant ainsi le besoin d’un processeur de combustible. De plus, les avantages incluent la possibilité d'utiliser des matériaux de construction standards 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 nécessite 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. Les températures élevées évitent les dommages à la pile à combustible causés par le monoxyde de carbone, les « empoisonnements », etc.

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

Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC)

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

Les piles à combustible à acide phosphorique (orthophosphorique) utilisent un électrolyte à base d'acide orthophosphorique (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 les piles à combustible de ce type est l'hydrogène (H + , proton). Un processus similaire se produit dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), dans lesquelles l'hydrogène fourni à l'anode est divisé en protons et en électrons. Les protons voyagent à travers l’électrolyte et se combinent avec l’oxygène de l’air au niveau de la cathode pour former de l’eau. Les électrons sont envoyés à travers un circuit électrique externe, générant ainsi un 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 - => 2H 2 O
Réaction générale de l'élément : 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Les performances élevées des centrales thermiques utilisant des piles à combustible à base d'acide phosphorique (orthophosphorique) dans la production combinée d'énergie thermique et électrique constituent l'un des avantages de ce type de piles à combustible. Les unités utilisent du monoxyde de carbone avec une concentration d'environ 1,5 %, ce qui élargit considérablement le choix de carburant. De plus, le CO 2 n'altère pas l'électrolyte et le fonctionnement de la pile à combustible : ce type de pile fonctionne avec du combustible naturel reformé. Une conception simple, un faible degré de 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 allant jusqu'à 400 kW sont produites commercialement. Les installations de 11 MW ont passé avec succès les tests appropriés. Des installations d'une puissance de sortie allant jusqu'à 100 MW sont en cours de développement.

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)

Les piles à combustible dotées d'une membrane échangeuse de protons sont considérées comme les plus le meilleur type des piles à combustible pour produire de l'énergie pour les véhicules, qui peuvent remplacer les moteurs à combustion interne à essence et diesel. Ces piles à combustible ont été utilisées pour la première fois par la NASA pour le programme Gemini. Aujourd'hui, des installations MOPFC d'une puissance de 1 W à 2 kW sont en cours de développement et de démonstration.

Ces piles à combustible utilisent une membrane polymère solide (un mince film de plastique) comme électrolyte. Lorsqu’il est saturé d’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). À l’anode, la molécule d’hydrogène est divisée en un ion hydrogène (proton) et des électrons. Les ions hydrogène traversent l'électrolyte jusqu'à la cathode et les électrons se déplacent autour du cercle extérieur et produisent de l'énergie électrique. L'oxygène, extrait de l'air, est amené à la cathode et se combine avec les électrons et les ions hydrogène pour former de l'eau. Les réactions suivantes se produisent au niveau des électrodes :

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

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. Cette fonctionnalité leur permet d’être compacts et légers. De plus, la température de fonctionnement est inférieure à 100°C, ce qui permet une mise en service 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 un solide plutôt qu’un liquide. Il est plus facile de retenir les gaz à la cathode et à l'anode en utilisant un électrolyte solide, et de telles piles à combustible sont donc moins coûteuses à produire. Par rapport à d'autres électrolytes, lors de l'utilisation d'un électrolyte solide, il n'y a aucune difficulté telle que l'orientation, moins de problèmes en raison de l'apparition de corrosion, ce qui entraîne une plus grande durabilité de l'élément et de ses composants.

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide sont les piles à combustible fonctionnant à des températures de fonctionnement les plus élevées. La température de fonctionnement peut varier de 600°C à 1000°C, permettant l'utilisation de différents types de carburant sans prétraitement particulier. Pour supporter des températures aussi élevées, l'électrolyte utilisé est un mince oxyde métallique solide sur une base céramique, souvent un alliage d'yttrium et de zirconium, conducteur des ions oxygène (O 2 -). La technologie des piles à combustible à oxyde solide se développe depuis la fin des années 1950. et a deux configurations : plate et tubulaire.

L'électrolyte solide assure une transition étanche du gaz d'une électrode à l'autre, tandis que les électrolytes liquides sont situés dans un substrat poreux. Le porteur de charge dans les piles à combustible de ce type est l'ion oxygène (O 2 -). À 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, créant quatre électrons libres. Les électrons sont envoyés 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 produite est la plus élevée de toutes les piles à combustible - environ 60 %. De plus, les températures de fonctionnement élevées permettent la production combinée d’énergie thermique et électrique pour générer de la vapeur à haute pression. La combinaison d'une pile à combustible haute température avec une turbine permet de créer une pile à combustible hybride pour augmenter l'efficacité de la production d'énergie électrique jusqu'à 70 %.

Piles à combustible à oxydation directe du méthanol (DOMFC)

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

Le développement de ces piles à combustible a débuté au début des années 1990. Avec le développement de catalyseurs améliorés et d'autres innovations récentes, la densité de puissance et l'efficacité ont été augmentées jusqu'à 40 %.

Ces éléments ont été testés dans la plage de température de 50 à 120°C. Avec de basses températures de fonctionnement et l'absence de convertisseur, les piles à combustible à oxydation directe au méthanol sont un candidat idéal pour les applications dans les téléphones mobiles, d'autres produits de consommation et les moteurs automobiles. L'avantage de ce type de pile à combustible est leur petite taille, due à l'utilisation de combustible liquide, et l'absence de besoin d'utiliser un convertisseur.

Piles à combustible alcalines (ALFC)

Les piles à combustible alcalines (AFC) sont l’une des technologies les plus étudiées, utilisée 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'énergie électrique et de l'eau potable. Les piles à combustible alcalines sont l’une des cellules les plus efficaces utilisées pour produire de l’électricité, avec un rendement de production d’électricité pouvant atteindre 70 %.

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

L’avantage du SHTE est que ces piles à combustible sont les moins chères à produire, puisque le catalyseur requis sur les électrodes peut être n’importe quelle substance moins chère que celles utilisées comme catalyseurs pour d’autres piles à combustible. De plus, les SFC fonctionnent à des températures relativement basses et comptent parmi les piles à combustible les plus efficaces ; de telles caractéristiques peuvent par conséquent contribuer à une production d'énergie plus rapide et à un rendement énergétique élevé.

L'une des caractéristiques du SHTE est sa grande sensibilité au CO 2 , qui peut être contenu dans le carburant ou dans 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 du SHTE est limitée aux espaces clos, 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 CO, H 2 O et CH 4, qui sont sans danger pour d'autres piles à combustible, et qui font même office de carburant pour certaines d'entre elles, sont nocives pour le SHFC.

Piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC)

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 les ions d'eau de conduction H2O+ (proton, rouge) se fixent à une molécule d'eau. Les molécules d’eau posent un problème en raison de la lenteur des échanges d’ions. Par conséquent, une concentration élevée 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 acide solide (SFC)

Dans les piles à combustible acide solide, l'électrolyte (C s HSO 4) ne contient pas d'eau. La température de fonctionnement est donc de 100 à 300°C. La rotation des anions oxy SO 4 2- permet aux protons (rouges) de se déplacer comme le montre la figure. En règle générale, une pile à combustible acide solide est un sandwich dans lequel une très fine couche de composé acide solide est prise en sandwich entre deux électrodes étroitement pressées l'une contre l'autre pour assurer un bon contact. Lorsqu'il est chauffé, le composant organique s'évapore et sort par les pores des électrodes, maintenant ainsi la capacité d'établir de multiples contacts entre le combustible (ou l'oxygène à l'autre extrémité de l'élément), 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
FCTE	100-220°C	35-40%	Hydrogène pur	Grandes installations
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations
SOFC	450–1 000 °C	45-70%	La plupart des carburants à base d'hydrocarbures	Petites, moyennes et grandes installations
PEMFC	20-90°C	20-30%	Méthanol	Unités portatives
SHTE	50-200°C	40-65%	Hydrogène pur	Recherche spatiale
PETIT	30-100°C	35-50%	Hydrogène pur	Petites installations

Dans le futur, au début de notre siècle, on pourra dire que la hausse des prix du pétrole et les inquiétudes concernant environnement a conduit à une forte expansion des horizons des constructeurs automobiles et les a obligés à développer et à introduire de plus en plus de nouveaux types de carburants et de moteurs.

L’un de ces carburants s’appellera l’hydrogène. Comme vous le savez, lorsque l'hydrogène et l'oxygène se combinent, on obtient de l'eau, ce qui signifie que si ce processus est utilisé comme base d'un moteur de voiture, les gaz d'échappement ne seront pas un mélange. gaz dangereux Et éléments chimiques, mais de l'eau ordinaire.

Malgré quelques difficultés techniques liées à l'utilisation des piles à combustible à hydrogène (FC), les constructeurs automobiles ne vont pas baisser les bras et développent déjà leurs nouveaux modèles avec de l'hydrogène comme carburant. Au Salon automobile de Francfort 2011, Daimler AG, l'un des fleurons de l'industrie automobile, a présenté au public plusieurs prototypes Mercedes-Benz fonctionnant à l'hydrogène. La même année, la société coréenne Hyndai a annoncé qu'elle abandonnerait le développement de véhicules électriques et se concentrerait sur le développement de voitures utilisant des piles à combustible à hydrogène.

Malgré ce développement actif, peu de gens comprennent exactement ce que sont ces piles à combustible à hydrogène et ce qu’elles contiennent.

Pour clarifier la situation, regardons l’histoire des piles à combustible à hydrogène.

Le premier à décrire théoriquement la possibilité de créer une pile à combustible à hydrogène fut l'Allemand Christian Friedrich Schönbein. En 1838, il décrit le principe dans une des revues scientifiques de l’époque.

Un an plus tard. En 1939, le juge gallois Sir William Robert Grove a créé et démontré une batterie à hydrogène pratiquement fonctionnelle. Mais la charge produite par la batterie n’était pas suffisante pour que l’invention soit largement utilisée.

Le terme « pile à combustible » a été utilisé pour la première fois en 1889 par les chercheurs Ludwig Mond et Charles Langer, qui tentaient de créer une pile à combustible fonctionnelle utilisant de l'air et gaz de cokerie. Selon une autre version, la première personne à utiliser le terme « pile à combustible » aurait été William White Jaques. Il fut également le premier à utiliser l'acide phosphorique dans un bain électrolytique.

Dans les années 1920, la recherche allemande a été pionnière dans l’utilisation du cycle au carbonate et des piles à combustible à oxyde solide qui sont utilisées aujourd’hui.

En 1932, l’ingénieur Francis T Bacon commença ses recherches sur les piles à combustible à hydrogène. Avant lui, les chercheurs utilisaient des électrodes poreuses en platine et acide sulfurique dans un bain électrolytique. Le platine rendait la production très coûteuse et l'acide sulfurique créait des difficultés supplémentaires en raison de sa nature caustique. Bacon a remplacé le platine coûteux par du nickel et l'acide sulfurique par un électrolyte alcalin moins caustique.

Bacon a constamment amélioré sa conception et, en 1959, a pu présenter au public une pile à combustible de 5 kilowatts capable d'alimenter une machine à souder. Le chercheur a baptisé sa cellule « Bacon Cell ».

En octobre de la même année 1959, Harry Karl Ihrig présenta un tracteur de 20 chevaux, qui devint le premier au monde. véhicule, alimenté par une pile à combustible.

Dans les années 1960, la société américaine General Electric a utilisé le principe de la pile à combustible Bacon et a développé un système de production d'énergie pour les programmes spatiaux Gemini et Apollo de la NASA. La NASA a calculé que l'utilisation d'un réacteur nucléaire serait trop coûteuse et que les batteries conventionnelles ou panneaux solaires nécessitait trop d’espace. De plus, les piles à combustible à hydrogène pourraient alimenter simultanément le navire en électricité et l’équipage en eau.

Le premier bus alimenté par des piles à combustible à hydrogène a été construit en 1993. En 1997, les constructeurs automobiles Daimler Benz et Toyota présentent leurs prototypes voitures particulières.

- facepla.net -

Commentaires:

Et ils ont oublié de parler des travaux sur le thème de l'énergie combustible en URSS, n'est-ce pas ?

Lorsque l’électricité est produite, de l’eau se forme. et plus il y a de premier, plus il y en a. Imaginons maintenant à quelle vitesse les gouttelettes obstrueront toutes les piles à combustible et les canaux de passage des gaz - H2, O2. Comment ce générateur fonctionnera-t-il à des températures inférieures à zéro ?

Proposez-vous de brûler des dizaines de tonnes de charbon, en jetant des tonnes de suie dans l'atmosphère pour obtenir de l'hydrogène, afin d'obtenir quelques ampères de courant pour une herminette de dernière génération ?!
Où sont les économies environnementales ici ?!

La voici – la pensée squelettique !
Pourquoi brûler des tonnes de charbon ? Nous vivons au 21ème siècle et il existe déjà des technologies qui nous permettent d'obtenir de l'énergie sans rien brûler. Il ne reste plus qu'à accumuler cette énergie avec compétence pour une utilisation ultérieure pratique.

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