Una pila de combustible es una pila que la generacion d'una tension electrica se fa mercé a l'oxidacion sus un electròde d'un combustible reductor (per exemple l'idrogèn) acoblat a la reduccion sus l'autre electròde d'un oxidant, coma l'oxigèn de l'aire. vinheta|Pila de combustible, de la NASA al metanòl.
Istoric Las estapas màger de las pilas de combustible son: 1839: descobèrta de l'efièch pila de combustible per l'alemand Christian Schönbein. de 1839 a 1842: Realizacion del primièr modèl de laboratòri de pila de combustible per William R. Grove. 1932: Novèls estudís sus la pila de combustible per Francis T. Bacon, que realiza un primièr prototipe de 1 kW en 1953, puèi 5 kW en 1959. Aqueste prototipe servirà de modèl per las futuras pilas de combustible utilizadas pendent de missions espacialas Apollo. Plan fòrça temps (mai d'un sègle) passèt entre la realizacion del primièr modèl de pila de combustible e las primièras utilizacions s'explica pel plan fòrt desvolopament que coneguèron los autres tipes de generators d'energia electrica e pel fach que lo cost dels materials utilizats dins la pila de combustible demora ara encarat naut.
Generalitats vinheta|Piscina municipala de Woking. Primièra experiéncia anglesa de pila de combustible foncionant en cogeneracion (calor + electricitat per l'esclairatge). Una pila de combustible es un generator ont la fabricacion de l'electricitat se fa mercé a l'oxidacion sus un electròde d'un combustible reductor (per exemple diidrogèn) acoblat a la reduccion sus l'autre electròde d'un oxidant, coma lo dioxigèn de l'aire. La reaccion d'oxidacion de l'idrogèn es accelerada per un catalisor qu'es mai sovent de platin. Se d'autres combinasons son possiblas, la pila mai correnta es la pila diidrogèn-dioxigèn o diidrogèn-aire (aquò s'explica entre autre a causa de l'abondància de la fonts en idrogèn sus Tèrra e la facilitat de produccion del diidrogèn)La pile à combustible et la réaction H2 + O2, sur education.fr, consulté le 25 octobre 2017.
Evolucions tecnicas Dempuèi 1977, de pilas (utilizadas suls satellits) contenonex : de Dupont de Nemours, pour le PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell, pile à combustible à membrane échangeuse de protons), ces piles utilisées dans l'Espace de membranas en polimèrs (electrolit solid acid o alcalin) fachs conductors, prenent la forma d'una membrana prima separant les dos electròdes. Aquestes polimèrs contenon de platin. Coma es un metal rar, polluent e costós, se cèrca donc d'alternativas; es testat, per exemple en China, un polimèr (polisulfòn o polsulfòn d'amòni quaternari amb un catòde (costat oxigèn) en argent e un anòde (costat idrogèn) en niquèl placat de cròme Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts - Shanfu Lu, Jing Pan, Aibin Huang, Lin Zhuang, et Juntao Lu, PNAS 2008.
En 2010, de cercaires americans e de cercaires alemands prepausèron d'integrar un catalisor suplementari, mens costós e que poiriá devesir per dos la quantitat de platin de las pilas de combustibles Nature ChemistryLattice-strain control of the activity in dealloyed core-shell fuel cell catalysts ; Journal Nature; s'agís de nanosfèras bastidas amb d'atòms de platin e de coire, que las particulas de coire son en seguida en partida extrachas, daissant una mena de nanoclòsc de platin d'unes atòms d'espessor. Lo metòde de produccion d'aquestas nanosfèras es tala que diminuís lor capacitat de fixacion de l'oxigèn, çò que favoriza la formacion d'aiga fasent la pila mai productiva. Segon aquesta equipa aquò poiriá reduire de 80 % lo priètz de las pilas de combustible. Aqueste procès poiriá èsser aplicat a d'autres metals per produire d'autres tipes de catalisors podent per exemple permetre una produccion d'idrogèn e d'oxigèn a partir d'aiga coma estocatge quimic de l'energia electrica producha per d'eolianas o de panèls solars, abans de la tornar jos forma d'electricitat.
En 2012, la sociatat israeliana CellEra declarèr aver concebur una tecnologia de pila de combustible de membrana qu'utiliza pas de platin, mejan un electrolit polimèr solid que mena d'ions OH- en mitan alcalin. Aquesta societat pausèt detz brevets al subjècte d'aquesta tecnologia
Pila de combustible d'idrogèn Lo foncionament d'una pila diidrogèn-dioxigèn es fòrça plan neta que produch pas que d'aiga e consoma sonque de gases. Mas fins a 2010 la fabricacion d'aquestas pilas èra plan costosa, que la quantitat non negligible de platin necessàri e del cost de las membranas escambiadissas d'ions.
Quinas fonts e biais d'estocar per l'idrogèn La sintèsi, l'estocatge e lo provesiment en diidrogèn son una partida de l'escomesa que sus Tèrra, l'idrogèn es abondant, mas sempre combinat (a l'oxgèn (, es a dire l'aiga), de sofre (sulfur d'idrogèn, ), de carbòni (combustibles fossils de tipes gas natural o petròlis)... Lo diidrogèn pòt èsser produch en descompausant d'aiga, de metan o de fusta/gasogènCf. projet « Intégration d’une pile à combustible dans une chaîne de valorisation de déchets (VALORPAC) » soutenu par l’ADEME, avec l'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN), les sociétés S3D, Syngas et Fiaxell (de Lausanne) (pendent 2 ans lo projècte « Epilog » testèt amb astre de pilas de combustible al gas natural a ForbachEnvironnement-Magazine (2016) La pile à combustible au gaz naturel confirme ses promesses , publié 25/10/2016), per via termica o electroquimica (electrolisi de l'aiga). Produire d'idrogèn demanda una font d'energia renovelabla (coma l'idroelectrica, lo solar, l'eolian), d’electricitat nucleara o de combustibles fossils. Lo diidrogèn pòt èsser estocat e transportat; per via gasosa: comprimat dins de botelhas o de sèrvas (pression mai sovent de 350, 550 o 700 bar) ; per via solida: combinat dins d'idrur metallics; per via liquida: liqueficat (abandonat per la mobilitat) o combinat quimicament jos forma de metanòl o de metan que seràn enseguida transformats per liberar lo diidrogèn. potencialament dins de nanotubes de carbòniDes nanotubes de carbone pour stocker l’hydrogène, sur industrie-techno.com du 5 juillet 2011, consulté le 20 octobre 2017.
Rendiments globals Un grop electrogèn permet un rendiment de 25 % e una pila d'idrogèn pòt aténher 50 a 60% (veire encara mai amb la recuperacion de calorFrédéric Douard (2013) Une pile à combustible utilisant le bois comme moteur, sur bioenergie-promotion.fr du 13 mai 2013), mas los rendiments energetics comolats de la sintèsi del diidrogèn e de la compression o liquefaccion son encara plan fèbles. Aquí, lo diidrogèn es pas una font d'energia primària; es un vector d'energia.
Principi de foncionament Lo principi de la pila de combustible es l'invèrs d'una electrolisi. La reaccion quimica producha per l'oxidacion e l'encontra de gas produch d'electricitat, d'aiga e de la calor. Lo foncionament de la pila de combustible demanda un provesiment en combustible, lo mai utilizat essent l'idrogèn. Una pila de combustible produch una tension electrica d'unes 0,7 a 0,8 vòlt Comment fonctionne une pile à combustible, segon la carga (densitat de corrent) e produch de calor. Lor temperatura de foncionament varia de 60 a 200% segon los modèls. L'aiga es mai sovent largada jos forma de vapor amb lo demai de dioxigèn.
Existís mai d'un tipes de pilas de combustibles que las mai conegudas son: la pila de membrane escambiadoira de protons, la pila d'oxid solid.
La pila de membrana escambiadoira de protons vinheta|Pila de combustible Una pila de combustible de membrana d'escambidoira de protons conten: doas placas bipolaras: una per distribuir l'idrogèn, una autra per distribuir l'oxigèn e sortir l'aiga, dos electròdes: un anòde e un catòde per far circular lo corrent electric (electrons), una membrana escambiadoira de protons fasent foncion d'electrolit: bloc lo passatge dels electrons e daissa passar los ions H+ de catalisors (platin): accelèran las reaccions entre los gases. L'idrogèn (venent d'una electrolisi o d'un reformatge d'idrocarburs) dintra per la placa bipolara a esquèrra sus la figura. Arribat a l'anòde, lo diidrogèn (H2) se dissocia (oxidatcon) en ions H+ e en electrons segon: 2H2 = 4H+ + 4e−. Los ions passan alara la membrana, mas los electrons, blocats, son constrenchs de prene un circuit exterior, çò que generarà un corrent electric.
Al catòde, los ions idrogèn, los electrons, e del dioxigèn (pur o venet de l'aire) s'encontran per formar d'aiga segon la reaccion: 4H+ + 4e− + O2 = 2H2O. L'aiga e lo dioxigèn passan per la placa bipolara drecha. Aquesta reaccion produirà tanben d calor podent èsser recuperada.
La pila a oxid solid Lo principi es lo mèsme. La sola diferéncia es que la membrana escambiadoira de protons es remplaçada per una autra membrana nomenada "membrana d'oxid solid". Las moleculas dins la pila de combustible van pas alara reagir del mèsme biais: D'en primièr, l'idrogèn dintra per la placa bipolara a esquèrra sus la figura, e arriba sus l'anòde. Aquí, l'idrogèn se dissocia: 2H2 = 4H+ + 4e− (fins alara, pas cap de cambiaments). Los electrons (e-) prenon un circuit exterior, mas los ions H+ (protons), puslèu que de passar la membrana, demoran sus l'electròde. Après que passèron los dipòls, los electrons rejongan lo catòde cargat en dioxigèn. Ambedoas moleculas van formar un ensems d’anions nomenat ions oxid (O2−) : O2 + 4e− → 2 O2−. Los ions O2− passant la membrana e se combinan amb los ions H+ per formar d'aiga segon: 4H+ + 2O2− = 2H2+ O2 = 2 H2 °CO Mas aqueste tipe de pila es pas pus performant que la pila de membrana escambiadoira de protons, foncciona conque a "fòrça nauta" temperatura (600 a ) e sa fabricacion costa mai car per de pilas de fèbla poténcia. Son donc utilizadas per d'aplicacions especificas demandant una fòrta poténcia.
Pila de combustible al metanòl Existís dos tipes de pilas de combustible de metanòl: Las pilas RMFC (): dins aquestas pilas, lo metanòl es reformat per produire l'idrogèn que provesís la pila. Las piles DMFC (): dins aquestas pilas, lo metanòl es dirèctament oxidat dins lo còr de la pila e se lo cal pas reformar. Al contrari de las pilas utilizant l'idrogèn, aquestas son pas "netas" que largan de CO2 e tanbe de CO.
Las diferentas tecnicas de pilas de combustible +Tablèu recapitulatiu de las diferentas tecnicas de pilas de combustible Tipes Electrolit Ions en question Gas/liquid de l'anòde Gas del catòde Poténcia Temperaturade foncionament Rendimentelectric Maduritat Domèni AFC - Alcalina Idroxid de potassi OH− diidrogèn dioxigèn 10 a 60 a Pila sola: 60-70 % Sistèma: 62 % Commercializat/ Desvolopament Portable, transpòrt DBFC - Idrur de bòr dirèct Membrane protonique
Membrane anionique H+
OH− NaBH4 liquid dioxigèn
20 a 50 % monocellula Desvelopament portable <20W PEMFC – de membrana d'escambi de protons Membranas polimèra Nafion-PBI H+ diidrogèn dioxigèn 0.1 a 60 a Pila: 50-70 % Sistèma: 30–50 % Commercializat/ Desvolopament portable, transpòrt, estacionari DMFC – de metanòl dirècte Membrana polimèra H+ metanòl dioxigèn mW a 90 a Pila: 20–30 % Commercializada/ Desvelopament transpòrt, estacionari DEFC – d'etanòl dirècte 90 a Desvolopament FAFC – d'acid formic 90 a Desvelopament PAFC – d'acid fosforic Acid fosforic H+ diidrogèn dioxigèn fins a gaireben Pila: 55 % Sistèma: 40 % Desvelopament transpòrt, estacionari MCFC – de carbonat fondut Carbonat de metals alcalins CO32− diidrogèn, Metan, Gas de sintèsi dioxigèn fins a gaireben Pila: 55 % Sistèma: 47 % Desvolopament/ Mesa sul mercat estacionari PCFC – de ceramica protonanta Desvolopament SOFC – d'oxid solid Ceramica O2− diidrogèn, Metan, Gas de sintèsi dioxigèn fins a 800 Pila: 60–65 % Sistèma: 55–60 % Desvolopament estacionari
Applicacions Los camps d'aplicacion màger son: Los transpòrts