Vous avez probablement entendu parler des piles à combustible . En 2003, le président Bush a annoncé un programme appelé Hydrogen Fuel Initiative (HFI) lors de son discours sur l'état de l'Union. Cette initiative, soutenue par la législation de l'Energy Policy Act de 2005 (EPACT 2005) et l'Advanced Energy Initiative de 2006, vise à développer les technologies de l'hydrogène, des piles à combustible et des infrastructures pour rendre les véhicules à pile à combustible pratiques et rentables d'ici 2020. À ce jour, les États-Unis ont consacré plus d'un milliard de dollars à la recherche et au développement des piles à combustible.
Alors, qu'est-ce qu'une pile à combustible exactement ? Pourquoi les gouvernements, les entreprises privées et les institutions académiques collaborent-ils pour les développer et les produire ? Les piles à combustible génèrent de l'énergie électrique silencieusement et efficacement, sans pollution. Contrairement aux sources d'énergie qui utilisent des combustibles fossiles, les sous-produits d'une pile à combustible en fonctionnement sont la chaleur et l'eau. Mais comment fait-il cela ?
Dans cet article, nous allons jeter un coup d'œil rapide sur chacune des technologies de pile à combustible existantes ou émergentes. Nous détaillerons comment les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC ) travaillent et examinent comment les piles à combustible se comparent à d'autres formes de production d'électricité. Nous explorerons également certains des obstacles auxquels les chercheurs sont confrontés pour rendre les piles à combustible pratiques et abordables pour notre utilisation, et nous discuterons des applications potentielles des piles à combustible.
Si vous voulez être technique à ce sujet, une pile à combustible est un dispositif de conversion d'énergie électrochimique . Une pile à combustible convertit les produits chimiques hydrogène et oxygène en eau et, ce faisant, produit de l'électricité.
L'autre appareil électrochimique que nous connaissons tous est la batterie. Une batterie a tous ses produits chimiques stockés à l'intérieur, et elle convertit également ces produits chimiques en électricité. Cela signifie qu'une batterie finit par "se vider" et que vous la jetez ou que vous la rechargez.
Avec une pile à combustible, les produits chimiques s'écoulent constamment dans la cellule afin qu'elle ne s'éteigne jamais - tant qu'il y a un flux de produits chimiques dans la cellule, l'électricité s'écoule de la cellule. La plupart des piles à combustible utilisées aujourd'hui utilisent de l'hydrogène et de l'oxygène comme produits chimiques.
Dans la section suivante, nous examinerons les différents types de piles à combustible.
Contenu
La pile à combustible sera en concurrence avec de nombreux autres dispositifs de conversion d'énergie, notamment la turbine à gaz de la centrale électrique de votre ville, le moteur à essence de votre voiture et la batterie de votre ordinateur portable. Les moteurs à combustion comme la turbine et le moteur à essence brûlent des carburants et utilisent la pression créée par l'expansion des gaz pour effectuer un travail mécanique. Les batteries convertissent l'énergie chimique en énergie électrique en cas de besoin. Les piles à combustible devraient effectuer les deux tâches plus efficacement.
Une pile à combustible fournit une tension CC (courant continu) qui peut être utilisée pour alimenter des moteurs, des lumières ou un certain nombre d'appareils électriques.
Il existe plusieurs types de piles à combustible, chacune utilisant une chimie différente. Les piles à combustible sont généralement classées en fonction de leur température de fonctionnement et du type d'électrolyte ils utilisent. Certains types de piles à combustible fonctionnent bien pour une utilisation dans des centrales électriques fixes. D'autres peuvent être utiles pour de petites applications portables ou pour alimenter des voitures. Les principaux types de piles à combustible comprennent :
Le ministère de l'Énergie (DOE) se concentre sur le PEMFC en tant que candidat le plus probable pour les applications de transport. La PEMFC a une densité de puissance élevée et une température de fonctionnement relativement basse (allant de 60 à 80 degrés Celsius, ou 140 à 176 degrés Fahrenheit). La basse température de fonctionnement signifie qu'il ne faut pas beaucoup de temps pour que la pile à combustible se réchauffe et commence à produire de l'électricité. Nous examinerons de plus près le PEMFC dans la section suivante.
Ces piles à combustible conviennent mieux aux générateurs électriques fixes à grande échelle qui pourraient fournir de l'électricité aux usines ou aux villes. Ce type de pile à combustible fonctionne à des températures très élevées (entre 700 et 1 000 degrés Celsius). Cette température élevée pose un problème de fiabilité, car certaines parties de la pile à combustible peuvent tomber en panne après des cycles répétés de mise en marche et d'arrêt. Cependant, les piles à combustible à oxyde solide sont très stables lorsqu'elles sont utilisées en continu. En fait, la SOFC a démontré la durée de vie la plus longue de toutes les piles à combustible dans certaines conditions de fonctionnement. La température élevée a aussi un avantage :la vapeur produite par la pile à combustible peut être canalisée dans des turbines pour produire plus d'électricité. Ce processus est appelé cogénération de chaleur et d'électricité (CHP) et cela améliore l'efficacité globale du système.
C'est l'une des plus anciennes conceptions de piles à combustible; le programme spatial américain les utilise depuis les années 1960. L'AFC est très sensible à la contamination, il nécessite donc de l'hydrogène et de l'oxygène purs. Il est également très coûteux, ce type de pile à combustible a donc peu de chances d'être commercialisé.
Comme la SOFC, ces piles à combustible sont également mieux adaptées aux grands générateurs électriques fixes. Ils fonctionnent à 600 degrés Celsius, de sorte qu'ils peuvent générer de la vapeur qui peut être utilisée pour générer plus d'énergie. Elles ont une température de fonctionnement inférieure à celle des piles à combustible à oxyde solide, ce qui signifie qu'elles n'ont pas besoin de matériaux aussi exotiques. Cela rend la conception un peu moins chère.
La pile à combustible à acide phosphorique a le potentiel d'être utilisée dans de petits systèmes fixes de production d'électricité. Il fonctionne à une température plus élevée que les piles à combustible à membrane échangeuse de polymères, il a donc un temps de préchauffage plus long. Cela le rend impropre à une utilisation dans les voitures.
Les piles à combustible au méthanol sont comparables à une PEMFC en ce qui concerne la température de fonctionnement, mais ne sont pas aussi efficaces. De plus, le DMFC nécessite une quantité relativement importante de platine pour agir comme catalyseur, ce qui rend ces piles à combustible coûteuses.
Dans la section suivante, nous examinerons de plus près le type de pile à combustible que le DOE prévoit d'utiliser pour alimenter les futurs véhicules :la PEMFC .
L'invention de la pile à combustibleSir William Grove a inventé la première pile à combustible en 1839. Grove savait que l'eau pouvait être divisée en hydrogène et en oxygène en y envoyant un courant électrique (un processus appelé électrolyse ). Il a émis l'hypothèse qu'en inversant la procédure, vous pourriez produire de l'électricité et de l'eau. Il a créé une pile à combustible primitive et l'a appelée une batterie voltaïque à gaz . Après avoir expérimenté sa nouvelle invention, Grove a prouvé son hypothèse. Cinquante ans plus tard, les scientifiques Ludwig Mond et Charles Langer ont inventé le terme pile à combustible tout en essayant de construire un modèle pratique pour produire de l'électricité.
La pile à combustible à membrane échangeuse de polymères (PEMFC) est l'une des technologies de pile à combustible les plus prometteuses. Ce type de pile à combustible finira probablement par alimenter des voitures, des bus et peut-être même votre maison. La PEMFC utilise l'une des réactions les plus simples de toutes les piles à combustible. Voyons d'abord ce qu'il y a dans une pile à combustible PEM :
Dans Figure 1 vous pouvez voir qu'il y a quatre éléments de base d'un PEMFC :
Image de l'hydrogène gazeux sous pression (H2 ) entrant dans la pile à combustible côté anode. Ce gaz est forcé à travers le catalyseur par la pression. Lorsqu'un H2 molécule entre en contact avec le platine sur le catalyseur, il se scinde en deux H + ions et deux électrons (e - ). Les électrons sont conduits à travers l'anode, où ils se frayent un chemin à travers le circuit externe (effectuant un travail utile comme faire tourner un moteur) et retournent du côté cathode de la pile à combustible.
Pendant ce temps, du côté cathode de la pile à combustible, le gaz oxygène (O2 ) est forcé à travers le catalyseur, où il forme deux atomes d'oxygène. Chacun de ces atomes a une forte charge négative. Cette charge négative attire les deux H + ions à travers la membrane, où ils se combinent avec un atome d'oxygène et deux des électrons du circuit externe pour former une molécule d'eau (H2 O).
Cette réaction dans une seule pile à combustible ne produit qu'environ 0,7 volt. Pour amener cette tension à un niveau raisonnable, de nombreuses piles à combustible distinctes doivent être combinées pour former une pile à combustible . Plaques bipolaires sont utilisés pour connecter une pile à combustible à une autre et sont soumis à la fois à des processus oxydants et réduire conditions et potentiels. Un gros problème avec les plaques bipolaires est la stabilité. Les plaques bipolaires métalliques peuvent se corroder et les sous-produits de la corrosion (ions fer et chrome) peuvent diminuer l'efficacité des membranes et des électrodes des piles à combustible. Les piles à combustible à basse température utilisent des métaux légers , graphite et composites carbone/thermodurcissables (le thermodurcissable est une sorte de plastique qui reste rigide même lorsqu'il est soumis à des températures élevées) comme matériau de plaque bipolaire.
Dans la section suivante, nous verrons à quel point les véhicules à pile à combustible peuvent être efficaces.
Chimie d'une pile à combustibleCôté anode :2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Côté cathode :O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Réaction nette :2H₂ + O₂ → 2H₂O
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La réduction de la pollution est l'un des principaux objectifs de la pile à combustible. En comparant une voiture à pile à combustible à une voiture à moteur à essence et à une voiture à batterie, vous pouvez voir comment les piles à combustible pourraient améliorer l'efficacité des voitures d'aujourd'hui.
Étant donné que les trois types de voitures ont bon nombre des mêmes composants (pneus, transmissions, etc.), nous ignorerons cette partie de la voiture et comparerons les efficacités jusqu'au point où la puissance mécanique est générée. Commençons par la voiture à pile à combustible. (Tous ces rendements sont des approximations, mais ils doivent être suffisamment proches pour permettre une comparaison approximative.)
Si la pile à combustible est alimentée en hydrogène pur, elle a le potentiel d'être efficace jusqu'à 80 %. C'est-à-dire qu'il convertit 80 % du contenu énergétique de l'hydrogène en énergie électrique. Cependant, nous devons encore convertir l'énergie électrique en travail mécanique. Ceci est accompli par le moteur électrique et l'onduleur. Un chiffre raisonnable pour l'efficacité du moteur/onduleur est d'environ 80 %. Nous avons donc une efficacité de 80 % pour produire de l'électricité et une efficacité de 80 % pour la convertir en énergie mécanique. Cela donne une efficacité globale d'environ 64 % . Le véhicule concept FCX de Honda aurait une efficacité énergétique de 60 %.
Si la source de carburant n'est pas de l'hydrogène pur, le véhicule aura également besoin d'un reformeur. Un reformeur transforme les carburants à base d'hydrocarbures ou d'alcool en hydrogène. Ils génèrent de la chaleur et produisent d'autres gaz que l'hydrogène. Ils utilisent divers appareils pour essayer de nettoyer l'hydrogène, mais même ainsi, l'hydrogène qui en sort n'est pas pur, ce qui réduit l'efficacité de la pile à combustible. Étant donné que les réformateurs ont un impact sur l'efficacité des piles à combustible, les recherches du DOE ont décidé de se concentrer sur les véhicules à pile à combustible à hydrogène pur, malgré les défis associés à la production et au stockage de l'hydrogène.
Ensuite, nous découvrirons l'efficacité des voitures à essence et à batterie.
HydrogèneL'hydrogène est l'élément le plus répandu dans l'univers. Cependant, l'hydrogène n'existe pas naturellement sur Terre sous sa forme élémentaire. Les ingénieurs et les scientifiques doivent produire de l'hydrogène pur à partir de composés d'hydrogène, y compris des combustibles fossiles ou de l'eau. Afin d'extraire l'hydrogène de ces composés, vous devez déployer de l'énergie. L'énergie requise peut prendre la forme de chaleur, d'électricité ou même de lumière.
L'efficacité d'une voiture à essence est étonnamment faible. Toute la chaleur qui sort sous forme d'échappement ou qui entre dans le radiateur est de l'énergie gaspillée. Le moteur utilise également beaucoup d'énergie pour faire tourner les différentes pompes, ventilateurs et générateurs qui le font fonctionner. Ainsi, l'efficacité globale d'un moteur à essence automobile est d'environ 20 % . C'est-à-dire qu'environ 20 % seulement de la teneur en énergie thermique de l'essence est convertie en travail mécanique.
Une voiture électrique à batterie a un rendement assez élevé. La batterie est efficace à environ 90 % (la plupart des batteries génèrent de la chaleur ou nécessitent un chauffage) et le moteur électrique/onduleur est efficace à environ 80 %. Cela donne une efficacité globale d'environ 72 % .
Mais ce n'est pas toute l'histoire. L'électricité utilisée pour alimenter la voiture devait être générée quelque part. S'il était généré dans une centrale électrique qui utilisait un processus de combustion (plutôt que nucléaire, hydroélectrique, solaire ou éolien), alors seulement environ 40 % du combustible requis par la centrale électrique était converti en électricité. Le processus de charge de la voiture nécessite la conversion du courant alternatif (CA) en courant continu (CC). Ce processus a une efficacité d'environ 90 %.
Ainsi, si nous examinons l'ensemble du cycle, l'efficacité d'une voiture électrique est de 72 % pour la voiture, 40 % pour la centrale électrique et 90 % pour la recharge de la voiture. Cela donne une efficacité globale de 26 % . L'efficacité globale varie considérablement en fonction du type de centrale électrique utilisée. Si l'électricité pour la voiture est générée par une centrale hydroélectrique par exemple, alors elle est fondamentalement gratuite (nous n'avons pas brûlé de carburant pour la générer), et l'efficacité de la voiture électrique est d'environ 65 % .
Les scientifiques étudient et affinent les conceptions pour continuer à améliorer l'efficacité des piles à combustible. Une approche consiste à combiner des véhicules à pile à combustible et à batterie. Ford Motors et Airstream développent un véhicule concept propulsé par une transmission hybride à pile à combustible appelée HySeries Drive . Ford affirme que le véhicule a une économie de carburant comparable à 41 miles par gallon. The vehicle uses a lithium battery to power the car, while the fuel cell recharges the battery.
Fuel-cell vehicles are potentially as efficient as a battery-powered car that relies on a non-fuel-burning power plant. But reaching that potential in a practical and affordable way might be difficult. In the next section, we will examine some of the challenges of making a fuel-cell energy system a reality.
Golden CatalystsNanoscale science may provide fuel cell developers with some much sought after answers. For example, gold is usually an unreactive metal. However, when reduced to nanometer size, gold particles can be as effective a catalyst as platinum.
Fuel cells might be the answer to our power problems, but first scientists will have to sort out a few major issues:
Chief among the problems associated with fuel cells is how expensive they are. Many of the component pieces of a fuel cell are costly. For PEMFC systems, proton exchange membranes, precious metal catalysts (usually platinum), gas diffusion layers, and bipolar plates make up 70 percent of a system's cost [Source:Basic Research Needs for a Hydrogen Economy]. In order to be competitively priced (compared to gasoline-powered vehicles), fuel cell systems must cost $35 per kilowatt. Currently, the projected high-volume production price is $73 per kilowatt [Source:Garland]. In particular, researchers must either decrease the amount of platinum needed to act as a catalyst or find an alternative.
Researchers must develop PEMFC membranes that are durable and can operate at temperatures greater than 100 degrees Celsius and still function at sub-zero ambient temperatures. A 100 degrees Celsius temperature target is required in order for a fuel cell to have a higher tolerance to impurities in fuel. Because you start and stop a car relatively frequently, it is important for the membrane to remain stable under cycling conditions. Currently membranes tend to degrade while fuel cells cycle on and off, particularly as operating temperatures rise.
Because PEMFC membranes must by hydrated in order to transfer hydrogen protons, researches must find a way to develop fuel cell systems that can continue to operate in sub-zero temperatures, low humidity environments and high operating temperatures. At around 80 degrees Celsius, hydration is lost without a high-pressure hydration system.
The SOFC has a related problem with durability. Solid oxide systems have issues with material corrosion. Seal integrity is also a major concern. The cost goal for SOFC?s is less restrictive than for PEMFC systems at $400 per kilowatt, but there are no obvious means of achieving that goal due to high material costs. SOFC durability suffers after the cell repeatedly heats up to operating temperature and then cools down to room temperature.
The Department of Energy?s Technical Plan for Fuel Cells states that the air compressor technologies currently available are not suitable for vehicle use, which makes designing a hydrogen fuel delivery system problematic.
In order for PEMFC vehicles to become a viable alternative for consumers, there must be a hydrogen generation and delivery infrastructure. This infrastructure might include pipelines, truck transport, fueling stations and hydrogen generation plants. The DOE hopes that development of a marketable vehicle model will drive the development of an infrastructure to support it.
Three hundred miles is a conventional driving range (the distance you can drive in a car with a full tank of gas). In order to create a comparable result with a fuel cell vehicle, researchers must overcome hydrogen storage considerations, vehicle weight and volume, cost, and safety.
While PEMFC systems have become lighter and smaller as improvements are made, they still are too large and heavy for use in standard vehicles.
There are also safety concerns related to fuel cell use. Legislators will have to create new processes for first responders to follow when they must handle an incident involving a fuel cell vehicle or generator. Engineers will have to design safe, reliable hydrogen delivery systems.
Researchers face considerable challenges. In the next section, we will explore why the United States and other nations are investing in research to overcome these obstacles.
Aromatic-based MembranesAn alternative to current perfluorosulfonic acid membranes are aromatic-based membranes. Aromatic in this case does not refer to the pleasing scent of the membrane -- it actually refers to aromatic rings like benzene, pyridine or indole. These membranes are more stable at higher temperatures, but still require hydration. What?s more, aromatic-based membranes swell when they lose hydration, which can affect the fuel cell's efficiency.
Why is the U.S. government working with universities, public organizations and private companies to overcome all the challenges of making fuel cells a practical source for energy? More than a billion dollars has been spent on research and development on fuel cells. A hydrogen infrastructure will cost considerably more to construct and maintain (some estimates top 500 billion dollars). Why does the president think fuel cells are worth the investment?
The main reasons have everything to do with oil. America must import 55 percent of its oil. By 2025 this is expected to grow to 68 percent. Two thirds of the oil Americans use every day is for transportation. Even if every vehicle on the street were a hybrid car, by 2025 we would still need to use the same amount of oil then as we do right now [Source:Fuel Cells 2000]. In fact, America consumes one quarter of all the oil produced in the world, though only 4.6 percent of the world population lives here [Source:National Security Consequences of U.S. Oil Dependency].
Experts expect oil prices to continue to rise over the next few decades as more low-cost sources are depleted. Oil companies will have to look in increasingly challenging environments for oil deposits, which will drive oil prices higher.
Concerns extend far beyond economic security. The Council on Foreign Relations released a report in 2006 titled "National Security Consequences of U.S. Oil Dependency." A task force detailed numerous concerns about how America's growing reliance on oil compromises the safety of the nation. Much of the report focused on the political relationships between nations that demand oil and the nations that supply it. Many of these oil rich nations are in areas filled with political instability or hostility. Other nations violate human rights or even support policies like genocide. It is in the best interests of the United States and the world to look into alternatives to oil in order to avoid funding such policies.
Using oil and other fossil fuels for energy produces pollution. Pollution issues have been in the news a lot recently -- from the film "An Inconvenient Truth" to the announcement that climate change and global warming would factor into future adjustments of the Doomsday Clock. It is in the best interest for everyone find an alternative to burning fossil fuels for energy.
Fuel cell technologies are an attractive alternative to oil dependency. Fuel cells give off no pollution, and in fact produce pure water as a byproduct. Though engineers are concentrating on producing hydrogen from sources such as natural gas for the short-term, the Hydrogen Initiative has plans to look into renewable, environmentally-friendly ways of producing hydrogen in the future. Because you can produce hydrogen from water, the United States could increasingly rely on domestic sources for energy production.
Other countries are also exploring fuel-cell applications. Oil dependency and global warming are international problems. Several countries are partnering to advance research and development efforts in fuel cell technologies. One partnership is The International Partnership for the Hydrogen Economy.
Clearly scientists and manufacturers have a lot of work to do before fuel cells become a practical alternative to current energy production methods. Still, with worldwide support and cooperation, the goal to have a viable fuel cell-based energy system may be a reality in a couple of decades.
A Fuel Cell That Runs on WasteEnvironmental engineers at Pennsylvania State University developed a fuel cell that runs on wastewater. The cell uses microbes to break down organic matter. The matter in turn releases hydrogen and electrons. The fuel cell can break down approximately 80 percent of the organic matter in wastewater, and like PEMFCs the output is heat and pure water. The energy generated by the fuel cell could help power a water treatment plant pump system.
International Partnership for the Hydrogen Economy
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