Si vous avez lu l'article sur les piles à combustible, vous savez qu'elles produisent de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène, et n'émettent que de la vapeur. Le principal problème des piles à combustible à hydrogène concerne le stockage et la distribution de l'hydrogène. Voir Comment fonctionne l'économie de l'hydrogène pour plus de détails.
L'hydrogène gazeux n'est pas un carburant très dense en énergie, ce qui signifie qu'il contient peu d'énergie par unité de volume par rapport à un carburant liquide comme l'essence ou le méthanol. Il est donc difficile d'installer suffisamment d'hydrogène gazeux dans une voiture à pile à combustible pour lui donner une autonomie raisonnable. L'hydrogène liquide a une bonne densité énergétique, mais il doit être stocké à des températures extrêmement basses et à des pressions élevées; cela rend son stockage et son transport assez difficiles.
Les carburants courants comme le gaz naturel, le propane et l'essence, et les moins courants comme le méthanol et l'éthanol, contiennent tous de l'hydrogène dans leur structure moléculaire. S'il existait une technologie capable d'extraire l'hydrogène de ces carburants et de l'utiliser pour alimenter la pile à combustible, le problème de stockage et de distribution de l'hydrogène serait presque entièrement éliminé.
Cette technologie est en développement. C'est ce qu'on appelle un processeur de carburant , ou un réformateur . Dans cette édition de HowStuffWorks , nous apprendrons comment le reformeur à vapeur fonctionne.
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Le travail du processeur de combustible consiste à fournir de l'hydrogène relativement pur à une pile à combustible, en utilisant un combustible facilement disponible ou facilement transportable. Les transformateurs de carburant doivent être capables de le faire de manière efficace avec un minimum de pollution ; sinon, ils annulent les avantages de l'utilisation d'une pile à combustible en premier lieu.
Pour les voitures, le principal problème est le stockage d'énergie . Afin d'éviter d'avoir de grands réservoirs sous pression lourds, un carburant liquide est préférable à un gaz. Les entreprises travaillent sur des processeurs de carburant pour les carburants liquides comme l'essence et le méthanol. Méthanol est le carburant le plus prometteur à court terme; il peut être stocké et distribué à peu près de la même manière que l'essence l'est actuellement.
Pour les maisons et la production d'électricité stationnaire, les combustibles comme le gaz naturel ou le propane sont préférés. De nombreuses centrales électriques et maisons sont déjà raccordées à l'approvisionnement en gaz naturel par pipeline. Et certaines maisons qui ne sont pas raccordées à des conduites de gaz ont des réservoirs de propane. Il est donc logique de convertir ces carburants en hydrogène pour les utiliser dans des piles à combustible stationnaires.
Le méthanol et le gaz naturel peuvent être convertis en hydrogène dans un reformateur à vapeur .
Il existe plusieurs types de reformeurs à la vapeur, l'un reformant le méthanol et l'autre reformant du gaz naturel .
La formule moléculaire du méthanol est CH 3 OH . L'objectif du reformeur est d'éliminer le maximum d'hydrogène (H ) que possible de cette molécule, tout en minimisant l'émission de polluants comme le monoxyde de carbone (CO ). Le processus commence par la vaporisation de méthanol liquide et d'eau. La chaleur produite dans le processus de reformage est utilisée pour accomplir cela. Ce mélange de méthanol et de vapeur d'eau passe à travers une chambre chauffée qui contient un catalyseur.
Lorsque les molécules de méthanol frappent le catalyseur, elles se divisent en monoxyde de carbone (CO ) et de l'hydrogène gazeux (H 2 ):
La vapeur d'eau se divise en hydrogène gazeux et en oxygène; cet oxygène se combine avec le CO pour former du CO2 . De cette façon, très peu de CO est libéré, car la majeure partie est convertie en CO2 .
Le gaz naturel, composé principalement de méthane (CH 4 ), est traité en utilisant une réaction similaire. Le méthane contenu dans le gaz naturel réagit avec la vapeur d'eau pour former du monoxyde de carbone et de l'hydrogène gazeux.
Tout comme lors du reformage du méthanol, la vapeur d'eau se divise en hydrogène gazeux et en oxygène, l'oxygène se combinant avec le CO pour former du CO2 .
Aucune de ces réactions n'est parfaite; du méthanol ou du gaz naturel et du monoxyde de carbone passent sans réagir. Ceux-ci sont brûlés en présence d'un catalyseur, avec un peu d'air pour apporter de l'oxygène. Cela convertit la majeure partie du CO restant en CO2 , et le méthanol restant en CO2 et de l'eau. Divers autres dispositifs peuvent être utilisés pour nettoyer tout autre polluant, tel que le soufre, pouvant se trouver dans le flux d'échappement.
Il est important d'éliminer le monoxyde de carbone du flux d'échappement pour deux raisons :premièrement, si le CO traverse la pile à combustible, les performances et la durée de vie de la pile à combustible sont réduites ; deuxièmement, c'est un polluant réglementé, donc les voitures ne sont autorisées qu'à en produire de petites quantités.
Afin de créer de l'énergie, plusieurs systèmes doivent fonctionner ensemble pour fournir la puissance électrique requise. Un système typique consisterait en une charge électrique (comme une maison ou un moteur électrique), une pile à combustible et un processeur de carburant .
Prenons le cas d'une voiture à pile à combustible. Lorsque vous appuyez sur la pédale d'accélérateur (hydrogène), plusieurs choses se produisent à peu près en même temps :
Une séquence d'événements similaire se produit dans votre maison lorsque vous augmentez soudainement la demande d'électricité. Par exemple, lorsque votre climatisation s'allume, la puissance de sortie de la pile à combustible doit augmenter rapidement, sinon les lumières s'atténueront jusqu'à ce que la pile à combustible puisse répondre à la demande.
Les processeurs de carburant ont également des inconvénients, notamment la pollution et l'efficacité globale du carburant .
Bien que les processeurs de carburant puissent fournir de l'hydrogène gazeux à une pile à combustible tout en produisant beaucoup moins de pollution qu'un moteur à combustion interne, ils produisent toujours une quantité importante de dioxyde de carbone (CO2 ). Bien que ce gaz ne soit pas un polluant réglementé, il est suspecté de contribuer au réchauffement climatique.
Si de l'hydrogène pur est utilisé dans une pile à combustible, le seul sous-produit est l'eau (sous forme de vapeur). Pas de CO2 ou tout autre gaz est émis. Mais comme les voitures à pile à combustible qui utilisent des processeurs de carburant émettent de petites quantités de polluants réglementés, tels que le monoxyde de carbone, elles ne seront pas considérées comme des véhicules à zéro émission. (ZEV) en vertu des lois californiennes sur les émissions. À l'heure actuelle, les principales technologies qualifiées de ZEV sont la voiture électrique à batterie et la voiture à pile à combustible à hydrogène.
Au lieu d'essayer d'améliorer les processeurs de carburant au point où ils n'émettront plus de polluants réglementés, certaines entreprises travaillent sur de nouvelles façons de stocker ou produire de l'hydrogène sur le véhicule . Ovonic développe un dispositif de stockage à hydrure métallique qui absorbe l'hydrogène un peu comme une éponge absorbe l'eau. Cela élimine le besoin de réservoirs de stockage à haute pression et peut augmenter la quantité d'hydrogène pouvant être stockée dans un véhicule.
Powerball Technologies veut utiliser de petites boules en plastique remplies d'hydrure de sodium, qui produisent de l'hydrogène lorsqu'elles sont ouvertes et jetées dans l'eau. Le sous-produit de cette réaction, l'hydroxyde de sodium liquide , est un produit chimique industriel couramment utilisé.
Un autre inconvénient du processeur de carburant est qu'il diminue l'efficacité globale de la voiture à pile à combustible. Le processeur de carburant utilise la chaleur et la pression pour faciliter les réactions qui séparent l'hydrogène. Selon les types de carburant utilisés et l'efficacité de la pile à combustible et du processeur de carburant, l'amélioration de l'efficacité par rapport aux voitures à essence conventionnelles peut être assez faible. Voir cette comparaison de l'efficacité d'une voiture à pile à combustible, d'une voiture à essence et d'une voiture électrique.
