Bases des piles à combustible
A travers ce site web, nous recherchons des documents historiques relatifs aux piles à combustible. Nous avons construit le site pour recueillir des informations auprès de personnes déjà familiarisées avec la technologiedes personnes telles que des inventeurs, des chercheurs, des fabricants, des électriciens et des spécialistes du marketing. Cette section Basics présente un aperçu général des piles à combustible pour les visiteurs occasionnels.
| Qu’est-ce qu’une pile à combustible ? | Comment fonctionnent les piles à combustible ? |
| Pourquoi ne puis-je pas aller acheter une pile à combustible ? | |
| Différents types de piles à combustible. | |
Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?
Une pile à combustible est un dispositif qui produit de l’électricité par une réaction chimique. Chaque pile à combustible possède deux électrodes appelées, respectivement, anode et cathode. Les réactions qui produisent l’électricité ont lieu au niveau des électrodes.
Toute pile à combustible possède également un électrolyte, qui transporte les particules chargées électriquement d’une électrode à l’autre, et un catalyseur, qui accélère les réactions au niveau des électrodes.
L’hydrogène est le combustible de base, mais les piles à combustible ont également besoin d’oxygène. L’un des grands attraits des piles à combustible est qu’elles produisent de l’électricité avec très peu de pollutionune grande partie de l’hydrogène et de l’oxygène utilisés pour produire de l’électricité se combinent finalement pour former un sous-produit inoffensif, à savoir l’eau.
Un détail de terminologie : une seule pile à combustible produit une quantité infime d’électricité en courant continu (CC). En pratique, de nombreuses piles à combustible sont généralement assemblées en une pile. Pile ou empilement, les principes sont les mêmes.
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Comment fonctionnent les piles à combustible ?
L’objectif d’une pile à combustible est de produire un courant électrique qui peut être dirigé à l’extérieur de la pile pour effectuer un travail, comme alimenter un moteur électrique ou éclairer une ampoule ou une ville. En raison du comportement de l’électricité, ce courant retourne à la pile à combustible, complétant ainsi un circuit électrique. (Pour en savoir plus sur l’électricité et l’énergie électrique, consultez la rubrique « Throw The Switch » sur le site Web du Smithsonian Powering a Generation of Change). Les réactions chimiques qui produisent ce courant sont la clé du fonctionnement d’une pile à combustible.
Il existe plusieurs types de piles à combustible, et chacune fonctionne un peu différemment. Mais de manière générale, les atomes d’hydrogène entrent dans une pile à combustible au niveau de l’anode où une réaction chimique les dépouille de leurs électrons. Les atomes d’hydrogène sont alors « ionisés » et portent une charge électrique positive. Les électrons chargés négativement fournissent le courant nécessaire pour faire fonctionner les fils. Si un courant alternatif (CA) est nécessaire, la sortie CC de la pile à combustible doit être acheminée par un dispositif de conversion appelé onduleur.
Graphique de Marc Marshall, Schatz Energy Research Center
L’oxygène entre dans la pile à combustible au niveau de la cathode et, dans certains types de piles (comme celle illustrée ci-dessus), il s’y combine avec les électrons revenant du circuit électrique et les ions hydrogène qui ont traversé l’électrolyte depuis l’anode. Dans d’autres types de cellules, l’oxygène capte des électrons et traverse l’électrolyte jusqu’à l’anode, où il se combine avec les ions hydrogène.
L’électrolyte joue un rôle clé. Il doit permettre uniquement aux ions appropriés de passer entre l’anode et la cathode. Si des électrons libres ou d’autres substances pouvaient traverser l’électrolyte, ils perturberaient la réaction chimique.
Qu’ils se combinent à l’anode ou à la cathode, ensemble, l’hydrogène et l’oxygène forment de l’eau, qui s’écoule de la pile. Tant qu’une pile à combustible est alimentée en hydrogène et en oxygène, elle produit de l’électricité.
Mieux encore, puisque les piles à combustible créent de l’électricité par voie chimique, et non par combustion, elles ne sont pas soumises aux lois thermodynamiques qui limitent une centrale électrique classique (voir « Limite de Carnot » dans le glossaire). Les piles à combustible sont donc plus efficaces pour extraire l’énergie d’un combustible. La chaleur résiduelle de certaines piles peut également être exploitée, ce qui augmente encore l’efficacité du système.
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Alors pourquoi je ne peux pas sortir et acheter une pile à combustible ?
Le fonctionnement de base d’une pile à combustible n’est peut-être pas difficile à illustrer. Mais construire des piles à combustible bon marché, efficaces et fiables est une affaire bien plus compliquée.
Les scientifiques et les inventeurs ont conçu de nombreux types et tailles de piles à combustible dans la recherche d’une plus grande efficacité, et les détails techniques de chaque type varient. Bon nombre des choix auxquels sont confrontés les développeurs de piles à combustible sont limités par le choix de l’électrolyte. La conception des électrodes, par exemple, et les matériaux utilisés pour les fabriquer dépendent de l’électrolyte. Aujourd’hui, les principaux types d’électrolytes sont les suivants : alcalin, carbonate fondu, acide phosphorique, membrane échangeuse de protons (PEM) et oxyde solide. Les trois premiers sont des électrolytes liquides ; les deux derniers sont des solides.
Le type de combustible dépend également de l’électrolyte. Certaines cellules ont besoin d’hydrogène pur, et exigent donc un équipement supplémentaire tel qu’un « reformeur » pour purifier le combustible. D’autres cellules peuvent tolérer certaines impuretés, mais peuvent avoir besoin de températures plus élevées pour fonctionner efficacement. Des électrolytes liquides circulent dans certaines cellules, ce qui nécessite des pompes. Le type d’électrolyte dicte également la température de fonctionnement d’une pile « les piles au carbonate « fondu » fonctionnent à chaud, comme leur nom l’indique.
Chaque type de pile à combustible présente des avantages et des inconvénients par rapport aux autres, et aucune n’est encore suffisamment bon marché et efficace pour remplacer largement les moyens traditionnels de production d’énergie, comme les centrales à charbon, hydroélectriques ou même nucléaires.
La liste suivante décrit les cinq principaux types de piles à combustible. Vous trouverez des informations plus détaillées dans ces zones spécifiques de ce site.
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Différents types de piles à combustible.
Dessin d’une pile alcaline.
Les piles à combustible alcalines fonctionnent avec de l’hydrogène et de l’oxygène comprimés. Elles utilisent généralement une solution d’hydroxyde de potassium (chimiquement, KOH) dans l’eau comme électrolyte. Le rendement est d’environ 70 %, et la température de fonctionnement est de 150 à 200 degrés C (environ 300 à 400 degrés F). La puissance des piles varie de 300 watts (W) à 5 kilowatts (kW). Les piles alcalines ont été utilisées dans les vaisseaux spatiaux Apollo pour fournir de l’électricité et de l’eau potable. Elles nécessitent toutefois de l’hydrogène pur et les catalyseurs de leurs électrodes en platine sont coûteux. Et comme tout récipient rempli de liquide, elles peuvent fuir.
Dessin d’une pile à carbonate fondu
Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) utilisent des composés à haute température de carbonates de sel (comme le sodium ou le magnésium) (chimiquement, CO3) comme électrolyte. Le rendement est compris entre 60 et 80 %, et la température de fonctionnement est d’environ 650 degrés C (1 200 degrés F). Des unités d’une puissance allant jusqu’à 2 mégawatts (MW) ont été construites, et des projets existent pour des unités allant jusqu’à 100 MW. La température élevée limite les dommages causés par l' »empoisonnement » de la cellule par le monoxyde de carbone et la chaleur résiduelle peut être recyclée pour produire davantage d’électricité. Leurs électrodes-catalyseurs en nickel sont peu coûteuses par rapport au platine utilisé dans d’autres cellules. Mais la température élevée limite également les matériaux et les utilisations sûres des MCFC : elles seraient probablement trop chaudes pour une utilisation domestique. De plus, les ions carbonate de l’électrolyte sont utilisés dans les réactions, ce qui rend nécessaire l’injection de dioxyde de carbone pour compenser.
Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) utilisent l’acide phosphorique comme électrolyte. Le rendement varie de 40 à 80 %, et la température de fonctionnement se situe entre 150 et 200 degrés C (environ 300 à 400 degrés F). Les cellules à acide phosphorique existantes ont une puissance allant jusqu’à 200 kW, et des unités de 11 MW ont été testées. Les PAFC tolèrent une concentration de monoxyde de carbone d’environ 1,5 %, ce qui élargit le choix des combustibles qu’elles peuvent utiliser. Si l’on utilise de l’essence, le soufre doit être éliminé. Des électro-catalyseurs en platine sont nécessaires, et les pièces internes doivent pouvoir résister à l’acide corrosif.
Dessin du fonctionnement des piles à combustible à acide phosphorique et PEM.
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) fonctionnent avec un électrolyte polymère sous la forme d’une feuille mince et perméable. Le rendement est d’environ 40 à 50 %, et la température de fonctionnement est d’environ 80 degrés C (environ 175 degrés F). La puissance des cellules varie généralement entre 50 et 250 kW. L’électrolyte solide et flexible ne fuit pas et ne se fissure pas, et ces cellules fonctionnent à une température suffisamment basse pour qu’elles puissent être utilisées dans les maisons et les voitures. Mais leurs combustibles doivent être purifiés, et un catalyseur en platine est utilisé des deux côtés de la membrane, ce qui augmente les coûts.
Dessin d’une pile à oxyde solide
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) utilisent un composé dur et céramique d’oxydes métalliques (comme le calcium ou le zirconium) (chimiquement, O2) comme électrolyte. Le rendement est d’environ 60 %, et les températures de fonctionnement sont d’environ 1 000 degrés C (environ 1 800 degrés F). La puissance des cellules peut atteindre 100 kW. À ces températures élevées, il n’est pas nécessaire d’utiliser un reformeur pour extraire l’hydrogène du carburant, et la chaleur résiduelle peut être recyclée pour produire de l’électricité supplémentaire. Cependant, la température élevée limite les applications des SOFC et celles-ci ont tendance à être plutôt grandes. Bien que les électrolytes solides ne puissent pas fuir, ils peuvent se fissurer.
Des informations plus détaillées sur chaque type de pile à combustible, y compris les historiques et les applications actuelles, peuvent être trouvées sur leurs parties spécifiques de ce site. Nous avons également fourni un glossaire des termes techniquesun lien est fourni en haut de chaque page de technologie.
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