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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Éléments combustibles. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives La pile à combustible hydrogène-oxygène a été découverte en 1838 par le scientifique anglais W. Grove. Il a étudié la décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène et a découvert qu'un électrolyseur produisait un courant électrique. Il s’est avéré qu’il existe des procédés permettant de convertir le carburant en électricité sans brûler le carburant. Mais l'humanité reçoit de l'électricité principalement grâce à la combustion de pétrole, de charbon ou de gaz dans les centrales thermiques ou de combustible nucléaire dans les centrales nucléaires. Les processus impliquant la combustion entraînent des pertes importantes, de sorte que toute option permettant de produire de l'électricité sans brûler de carburant a attiré les scientifiques et les ingénieurs. Qu'est-ce qu'une pile à combustible ? Au cours de la recherche, il s'est avéré que le carburant pour les piles à combustible devait être préparé. Il n’existe pas d’hydrogène pur dans la nature. Il doit être extrait de combustibles fossiles, comme le méthane ou le gaz naturel. Une pile à combustible est une source de courant chimique et se compose donc d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte (voir figure).
L'agent réducteur (hydrogène) est oxydé au niveau de l'anode, qui donne des électrons au circuit externe, et les ions H+ chargés positivement pénètrent dans l'électrolyte. De l'autre extrémité de la chaîne, les électrons se rapprochent de la cathode, à laquelle de l'air (oxygène) est fourni, et une réaction de réduction a lieu (ajout d'électrons par un agent oxydant - l'oxygène). Les ions hydrogène chargés positivement (protons) sont transportés par l'électrolyte jusqu'à la cathode, où ils se combinent avec les ions oxygène négatifs pour former de l'eau H2O. Les électrodes et l'électrolyte ne participent pas à la réaction. Ainsi, il est nécessaire d’apporter de l’hydrogène et de l’oxygène à la pile à combustible, d’évacuer l’eau et d’évacuer le courant électrique. Les problèmes liés à la production d'hydrogène ont conduit à tenter d'utiliser d'autres agents réducteurs, en particulier le monoxyde de carbone CO, relativement facile à obtenir à partir du charbon. Dans les années 30 du XXe siècle. Le chercheur allemand E. Bauer a créé une unité de laboratoire avec un électrolyte solide pour l'oxydation anodique directe du charbon. Actuellement, outre le charbon, presque tous les combustibles organiques peuvent être utilisés. Au lieu de l’eau contenue dans ces piles à combustible, le produit final est du dioxyde de carbone CO2. Pourquoi les piles à combustible sont-elles intéressantes comme source d'électricité ? Premièrement, elles sont plus respectueuses de l’environnement que les centrales thermiques. Les piles à combustible hydrogène-oxygène produisent de l’eau, tandis que les piles à combustible à base de carbone produisent du dioxyde de carbone, et bien moins par unité d’électricité que les centrales thermiques. Deuxièmement, ils ont un rendement élevé d'environ 40 à 60 % (les grandes centrales thermiques en ont environ 30 %). Actuellement, des technologies ayant une efficacité allant jusqu'à 90 % ont été développées. Cela permet de réduire la consommation de carburant organique d'au moins 2 fois. Troisièmement, la fiabilité du carburant est exceptionnellement élevée. La probabilité d'un fonctionnement sans panne est estimée à « sept neuf » ou 99,99999 %. Types de piles à combustible Ces types sont déterminés par le type d’électrolyte utilisé dans les piles à combustible. 1. Acide phosphorique. Ce type de pile à combustible est actuellement produit en série. Ils en ont déjà installé plus de 200 – dans des hôpitaux, des hôtels, des écoles, des bureaux. Leur efficacité est de 40%, mais le produit obtenu est également utilisé: la vapeur chaude. La température de fonctionnement de ces piles à combustible est d'environ 200°C. 2. Membranes échangeuses de protons. Ces éléments fonctionnent à une température plus basse (environ 100°C). Membranes échangeuses de protons - une fine couche de plastique qui laisse passer les protons. Le plastique est recouvert des deux côtés d'une couche de particules métalliques (le plus souvent du platine), qui constituent un catalyseur actif. Ce type de pile à combustible est considéré comme le plus prometteur pour les voitures et pour remplacer les batteries et les accumulateurs. 3. Carbonate fondu. Les cellules dotées de cet électrolyte fonctionnent à une température d'environ 700°C et peuvent fonctionner avec de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du gaz naturel, du propane, du carburant diesel et d'autres substances. Des installations industrielles d'une capacité de 10 kW à 2 MW ont été développées. De telles piles à combustible sont prometteuses en tant que centrales électriques stationnaires. 4. Oxydes solides. Au lieu d'un électrolyte liquide, un matériau céramique solide est utilisé. La température de fonctionnement dans une telle pile à combustible peut atteindre 1000 60°C. L'efficacité atteint 220%. Une pile à combustible d'une puissance de XNUMX kW est démontrée. De telles piles à combustible sont prometteuses en tant que centrales électriques puissantes. 5. Électrolyte alcalin. Les piles à combustible dotées d'un tel électrolyte (KOH) sont utilisées depuis longtemps dans les vaisseaux spatiaux américains. Leur efficacité atteint 70%. Mais pour des applications commerciales, ils restent trop chers. 6. Méthanol. Un tel élément a une structure similaire à celle d'un élément doté d'une membrane échangeuse de protons, mais est conçu pour extraire l'hydrogène du méthanol liquide. L'efficacité est d'environ 40 %. Température de fonctionnement 50-90°C. 7. Piles à combustible régénératives. Ce type de pile à combustible fait l'objet de recherches. Il utilise une boucle fermée. L'eau est séparée en hydrogène et en oxygène par un électrolyseur à cellules solaires. L'hydrogène et l'oxygène alimentent une pile à combustible qui produit de l'électricité, de la chaleur et de l'eau. L'eau est recyclée vers l'électrolyseur et le processus est répété. Ce type de pile à combustible est prometteur pour les engins spatiaux et les stations.
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