Pile à combustible à hydrogène: description, caractéristiques, principe de fonctionnement, photo

Une pile à combustible est un dispositif qui génère efficacement de la chaleur et du courant continu par une réaction électrochimique et utilise un combustible riche en hydrogène. Fondamentalement, il est similaire à une batterie. Structurellement, la pile à combustible est représentée par une cathode, une anode et un électrolyte. Comment est-ce merveilleux? Contrairement aux batteries elles-mêmes, les piles à hydrogène ne stockent pas d’électricité, n’ont pas besoin d’électricité pour se recharger et ne se déchargent pas. Les cellules continuent à produire de l’électricité tant qu’elles contiennent de l’air et du carburant.

Particularités

Les piles à combustible diffèrent des autres groupes électrogènes en ce sens qu’elles ne brûlent pas de carburant pendant le fonctionnement. Grâce à cette caractéristique, ils n’ont pas besoin de rotors à haute pression, ils n’émettent pas de bruits et de vibrations importants. L’électricité dans les piles à combustible est générée par une réaction électrochimique silencieuse. L’énergie chimique du combustible dans de tels appareils est convertie directement en eau, chaleur et électricité.

Les piles à combustible sont très efficaces et n’émettent pas de grandes quantités de gaz à effet de serre. Le produit émis pendant le fonctionnement de la cellule est une petite quantité d’eau sous forme de vapeur et de dioxyde de carbone, qui n’est pas libérée si de l’hydrogène pur est utilisé comme combustible.

Histoire d’apparition

Dans les années 1950 et 1960, le besoin croissant de la NASA en sources d’énergie pour les vols spatiaux à longue distance a conduit à l’un des défis les plus importants en matière de piles à combustible qui existaient à l’époque. Les piles alcalines utilisent l’oxygène et l’hydrogène comme carburant, qui, lors d’une réaction électrochimique, sont convertis en sous-produits utiles pendant le vol spatial: électricité, eau et chaleur.

Les piles à combustible ont été découvertes pour la première fois au début du XIXe siècle, en 1838. Dans le même temps, les premières informations sur leur efficacité sont apparues.

Les travaux sur les piles à combustible utilisant des électrolytes alcalins ont commencé à la fin des années 1930. Les cellules à électrodes haute pression nickelées n’ont été inventées qu’en 1939. Pendant la Seconde Guerre mondiale, des piles à combustible sous-marines britanniques ont été développées, composées d’éléments alcalins d’environ 25 centimètres de diamètre.

Leur intérêt s’est accru dans les années 1950-1980, caractérisées par une pénurie de fioul. Des pays du monde entier ont commencé à lutter contre la pollution de l’air et de l’environnement en essayant de développer des moyens respectueux de l’environnement pour produire de l’électricité. La technologie des piles à combustible est actuellement en plein développement.

Principe d’opération

La chaleur et l’électricité sont produites par les piles à combustible par une réaction électrochimique qui utilise une cathode, une anode et un électrolyte.

La cathode et l’anode sont séparées par un électrolyte conducteur de protons. Après avoir fourni de l’oxygène à la cathode et de l’hydrogène à l’anode, une réaction chimique est déclenchée qui produit de la chaleur, du courant et de l’eau.

L’hydrogène moléculaire se dissocie sur le catalyseur d’anode, entraînant la perte d’électrons. Les ions hydrogène pénètrent dans la cathode à travers l’électrolyte, tandis que les électrons traversent le réseau électrique externe et créent un courant continu qui est utilisé pour alimenter l’équipement. La molécule d’oxygène sur le catalyseur cathodique se combine avec un électron et un proton entrants, formant finalement de l’eau, qui est le seul produit de la réaction.

Les types

Le choix d’un type particulier de pile à combustible dépend de son application. Toutes les piles à combustible se répartissent en deux catégories principales: haute température et basse température. Ces derniers utilisent de l’hydrogène pur comme carburant. De tels dispositifs nécessitent généralement la conversion du combustible primaire en hydrogène pur. Le processus est effectué sur un équipement spécial.

Les piles à combustible à haute température n’en ont pas besoin car elles convertissent le carburant à des températures élevées, éliminant ainsi le besoin d’une infrastructure d’hydrogène.

Le principe de fonctionnement des piles à hydrogène repose sur la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique sans processus de combustion inefficaces et sur la conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique.

Concepts généraux

Les piles à combustible à hydrogène sont des dispositifs électrochimiques qui génèrent de l’électricité par une combustion de carburant «à froid» très efficace. Il existe plusieurs types de tels dispositifs. La technologie des piles à combustible hydrogène-air équipées d’une membrane échangeuse de protons PEMFC est considérée comme la plus prometteuse.

Une membrane polymère à conductivité protonique est conçue pour séparer deux électrodes: cathode et anode. Chacun d’eux est représenté par une matrice carbonée sur laquelle est déposé le catalyseur. L’hydrogène moléculaire se dissocie sur le catalyseur d’anode, donnant des électrons. Les cations passent à la cathode à travers la membrane, mais les électrons sont transférés vers le circuit externe, car la membrane n’est pas conçue pour transporter des électrons.

Une molécule d’oxygène sur un catalyseur cathodique se combine avec un électron d’un circuit électrique et un proton entrant, formant finalement de l’eau, qui est le seul produit de la réaction.

Les piles à combustible à hydrogène sont utilisées pour produire des assemblages membrane-électrodes, qui constituent les principaux éléments générateurs du système énergétique.

Avantages des piles à hydrogène

Parmi eux, il convient de souligner:

• Augmentation de la capacité calorifique spécifique.
• Large plage de température de fonctionnement.
• Pas de vibration, de bruit ou de chaleur.
• Fiabilité du démarrage à froid.
• Absence d’autodécharge, ce qui garantit une longue période de stockage d’énergie.
• Autonomie illimitée grâce à la possibilité de réguler la consommation d’énergie en modifiant le nombre de cartouches de combustible.
• Assurer presque n’importe quelle intensité énergétique en modifiant la capacité de stockage de l’hydrogène.
• Long terme.
• Fonctionnement silencieux et respectueux de l’environnement.
• Consommation d’énergie élevée.
• Résistance aux impuretés étrangères dans l’hydrogène.

Champ d’application

En raison de leur rendement élevé, les piles à combustible à hydrogène sont utilisées dans divers domaines:

• Chargeurs portables.
• Systèmes d’alimentation pour drones.
• UPS.
• Autres appareils et équipements.

Perspectives de l’énergie hydrogène

L’utilisation généralisée des piles à combustible à base de peroxyde d’hydrogène ne deviendra possible qu’après la création d’une méthode efficace de production d’hydrogène. De nouvelles idées sont nécessaires pour l’utilisation active de cette technologie, avec de grands espoirs placés dans le concept des biopiles et des nanotechnologies. Plusieurs entreprises ont publié des catalyseurs relativement efficaces à base de divers métaux, dans le même temps, des informations sont apparues sur la création de piles à combustible sans membrane, ce qui a considérablement réduit les coûts de production et simplifié la conception de tels dispositifs. Les avantages et les caractéristiques des piles à combustible à hydrogène ne compensent pas leur principal inconvénient – le coût élevé, en particulier par rapport aux dispositifs à hydrocarbures. La construction d’une centrale à hydrogène nécessite au moins 500 000 $.

Comment construire une pile à hydrogène?

Une pile à combustible de faible puissance peut être créée par vous-même dans un laboratoire domestique ou scolaire typique. Les matériaux utilisés étaient un vieux masque à gaz, des morceaux de plexiglas, une solution aqueuse d’alcool éthylique et d’alcali.

Le corps de la pile à hydrogène est fabriqué à la main en plexiglas d’une épaisseur d’au moins cinq millimètres. Les cloisons entre les compartiments peuvent être plus fines – environ 3 millimètres. Le plexiglas est collé avec un adhésif spécial à base de chloroforme ou de dichloroéthane et de copeaux de plexiglas. Tous les travaux sont effectués uniquement lorsque la hotte est en marche.

Un trou d’un diamètre de 5 à 6 centimètres est pratiqué dans la paroi extérieure du boîtier, dans lequel un bouchon en caoutchouc et un tube de drainage en verre sont insérés. Le charbon actif d’un masque à gaz est versé dans les deuxième et quatrième compartiments du boîtier de la pile à combustible – il sera utilisé comme électrode.

Le carburant circulera dans la première chambre et la cinquième sera remplie d’air, d’où s’écoulera de l’oxygène. L’électrolyte versé entre les électrodes est imprégné d’une solution de paraffine et d’essence afin qu’il ne pénètre pas dans la chambre à air. Des plaques de cuivre sont placées sur une couche de charbon avec des fils soudés dessus, à travers lesquels le courant sera détourné.

La pile à combustible à hydrogène assemblée est remplie de vodka diluée avec de l’eau dans un rapport de 1: 1. De l’hydroxyde de potassium est soigneusement ajouté au mélange résultant: 70 grammes de potassium sont dissous dans 200 grammes d’eau.

Avant de tester une pile à combustible sur l’hydrogène, le combustible est versé dans la première chambre et l’électrolyte est versé dans la troisième. Les lectures du voltmètre connecté aux électrodes doivent être comprises entre 0,7 et 0,9 volt. Pour assurer un fonctionnement continu de la cellule, il est nécessaire de vidanger le combustible usé et de remplir de nouveau combustible à travers un tuyau en caoutchouc. Une pression sur le tuyau ajuste le débit de carburant. Ces piles à combustible à hydrogène artisanales ont peu de puissance.