Pile à combustible
Une pile à combustible produit de l'électricité en utilisant l'énergie libérée par le mélange du combustible avec l'air, une réaction qui crée de l'eau et parfois aussi du dioxyde de carbone. Le combustible le plus courant pour les piles à combustible est l'hydrogène, qui, lorsqu'il réagit avec l'oxygène de l'air, ne produit que de l'eau. Les piles à combustible fonctionnent comme une batterie constamment alimentée en carburant, de sorte qu'elle ne s'épuise jamais (tant que vous avez suffisamment de carburant). Les piles à combustible sont un élément important de l'économie de l'hydrogène. Les molécules d'hydrogène se trouvent dans des substances telles que le méthane, l'eau et la biomasse, mais dans tous les cas, une certaine énergie est nécessaire pour l'extraire. Il existe deux façons courantes de produire de l'hydrogène : il peut être séparé de la plupart des combustibles comme le pétrole, le gaz et le charbon par un processus appelé reformage à la vapeur, ou il peut être extrait de l'eau par un processus appelé électrolyse. Si l'hydrogène est séparé des combustibles fossiles, du dioxyde de carbone est libéré. Si l'énergie utilisée pour l'extraire de l'eau par électrolyse provient du soleil ou du vent, alors l'hydrogène produit est bénin car aucune émission n'est libérée. L'hydrogène peut également être séparé du biogaz renouvelable, ce qui signifie que le carbone émis n'est pas d'origine fossile et fait donc partie du cycle naturel du carbone.
Pile à combustible à méthanol direct. La pile à combustible actuelle est la structure bicubique en couches au centre de l'image
Comment convertir l'énergie
L'eau est une molécule qui se compose d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Il faut de l'énergie pour séparer l'eau en oxygène et en hydrogène, et de l'énergie est libérée lorsqu'ils sont réunis sous forme d'eau. Une pile à combustible remet l'hydrogène et l'oxygène ensemble de manière à libérer l'énergie sous forme d'électricité.
Le combustible (la source d'énergie, généralement l'hydrogène) et l'air (qui contient l'oxygène) sont placés dans des côtés opposés de la pile à combustible. Au milieu de la pile à combustible se trouve un "écran", appelé électrolyte, pris en sandwich entre deux plaques de métal, appelées électrodes, qui maintient le combustible et l'air séparés. Les différents types de piles à combustible sont nommés en fonction du type d'écran utilisé pour séparer le combustible et l'air. L'écran ne permet qu'à des molécules chargées spécifiques, également appelées ions, de passer à travers elles.
Pour créer des ions, les électrons doivent être transportés d'un côté à l'autre du système. Les électrons sont séparés du combustible par la plaque métallique du côté du combustible et doivent se déplacer vers le côté de l'air pour compléter la réaction. Comme l'écran ne laisse pas passer les électrons, ceux-ci passent par un fil séparé, jusqu'à l'autre plaque métallique du côté air. Le déplacement des électrons crée un courant électrique (électricité). C'est dans le fil que l'électricité peut être utilisée. Par exemple, le fil peut être coupé en deux et une ampoule peut être branchée entre les deux moitiés.
Pendant ce temps, les ions passent à travers l'écran et réagissent avec les molécules (déjà de l'autre côté) et les électrons (qui ont traversé le fil, dégageant de l'énergie pour l'électronique de puissance) de l'autre côté. Il se forme de l'eau (et, selon le type de carburant, parfois d'autres produits), qui sort par un tuyau d'échappement.
Efficacité
Les piles à combustible produisent de l'électricité en combinant l'oxygène et l'hydrogène. Leur rendement est très bon (environ 40 à 70 %). Elles ont un rendement maximal de 83 % si la chaleur d'échappement est utilisée pendant la réaction. De plus, les piles à combustible peuvent utiliser divers combustibles, par exemple, le gaz naturel, le méthanol, le GPL (gaz de pétrole liquéfié), le naphta, le kérosène, etc.
Caractéristiques
Certains types de piles à combustible ne produisent que de l'eau, ce qui signifie qu'elles ne polluent pas. La plupart des types de piles à combustible produisent beaucoup moins d'émissions que la production d'électricité classique ("calorique"). Elles peuvent consommer les mêmes types de carburant que les générateurs classiques, par exemple les moteurs diesel, mais elles sont environ deux fois plus efficaces, ce qui signifie qu'elles peuvent produire la même quantité d'énergie avec deux fois moins de carburant, et donc au moins deux fois moins de pollution. En outre, l'utilisation de piles à combustible à conversion directe présente moins de risques de produire des émissions secondaires comme le NOx, le SOx et les particules, qui sont des effets secondaires de la combustion, contribuent au réchauffement de la planète et sont connus comme les principaux polluants.
Les piles à combustible sont très silencieuses. Elles n'ont pas de pièces mobiles, à part quelques ventilateurs pour déplacer l'air et des pompes pour déplacer l'eau, ce qui signifie qu'elles nécessitent très rarement des réparations, mais certaines grandes piles à combustible utilisées pour alimenter des choses comme des bâtiments peuvent être assez fragiles.
En raison de leurs très faibles émissions polluantes, les piles à combustible sont souvent utilisées dans les véhicules qui se déplacent à l'intérieur des bâtiments, comme les chariots élévateurs à fourche. Comme elles sont très silencieuses, elles sont utilisées sur certains sous-marins militaires pour éviter la détection. Le carburant est utilisé plus efficacement, ce qui signifie que les piles à combustible peuvent fonctionner plus longtemps sans avoir besoin de nouveau carburant. Elles peuvent ainsi être utilisées dans des endroits difficiles d'accès, comme les stations météorologiques ou de recherche, les vaisseaux spatiaux ou les bases militaires.
Comme les vaisseaux spatiaux sont lancés à l'aide de fusées contenant de l'hydrogène et de l'oxygène purs, l'électricité à bord est produite à l'aide de piles à combustible très efficaces qui peuvent utiliser ces combustibles. En outre, les piles à combustible des vaisseaux spatiaux produisent de l'eau pure à leur sortie, qui peut être capturée et utilisée comme eau potable pour les astronautes, ce qui signifie qu'absolument rien n'est gaspillé.
Types de piles à combustible
Les piles à combustible peuvent être classées selon le type d'écran intérieur (électrolyte). Par exemple, les piles à combustible à acide phosphorique sont destinées aux basses températures. Elle est utilisée dans les téléphones portables et les alimentations automobiles qui nécessitent des courants élevés car elle est beaucoup plus sûre. Les piles à combustible alcalines contiennent généralement de l'hydroxyde de potassium (KOH). Les piles à combustible au méthanol sont utilisées en faisant réagir le méthanol par voie électrochimique. Ce type de pile à combustible est un meilleur choix pour un système plus simple. Mais les piles à combustible au méthanol ont une faible densité de sortie car leur taux de réaction est lent.
Certains types importants de piles à combustible le sont :
- Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC) - Les piles à combustible à acide phosphorique sont disponibles dans le commerce aujourd'hui. Ce sont les piles à combustible les plus courantes pour la production combinée de chaleur et d'électricité.
- Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) - Ces piles à combustible fonctionnent à des températures relativement basses (environ 175 °F), ont une densité de puissance élevée, peuvent varier rapidement leur puissance pour répondre aux variations de la demande d'énergie et sont adaptées aux applications, comme dans les automobiles, où un démarrage rapide est nécessaire. Tous les véhicules commerciaux utilisent ce type de pile à combustible. L'inconvénient de ces piles à combustible est qu'elles nécessitent un hydrogène de haute pureté dont la production est coûteuse.
- Pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) - Ces piles à combustible fonctionnent à très haute température, ce qui leur permet de convertir des combustibles plus complexes, comme le gaz naturel, en hydrogène qui sera utilisé par la pile elle-même. Leur démarrage et leur arrêt prennent plusieurs heures. Elles ne sont donc utilisées que dans des applications où elles peuvent continuer à fonctionner en continu, comme l'alimentation stationnaire de grands bâtiments/entreprises.
- Pile à combustible microbienne (MFC) - Pile à combustible qui utilise des microbes respirants pour convertir des substrats organiques en énergie électrique, à l'aide de réactions d'oxydo-réduction.
Demandes
Les utilisations des piles à combustible sont nombreuses - les grands constructeurs automobiles s'efforcent de commercialiser des voitures à piles à combustible. Toyota et Honda ont lancé respectivement les modèles Mirai et Clarity. Les piles à combustible alimentent les bus, les bateaux, les trains, les avions, les scooters, les chariots élévateurs et les vélos. Il existe des distributeurs automatiques, des aspirateurs et des panneaux de signalisation routière alimentés par des piles à combustible. On prévoit des piles à combustible miniatures pour les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et les appareils électroniques portables. Les hôpitaux, les centres de cartes de crédit, les postes de police et les banques utilisent des piles à combustible pour alimenter leurs installations. Les usines de traitement des eaux usées et les décharges les utilisent pour convertir le méthane qu'elles produisent en électricité. Les piles à combustible sont utilisées depuis longtemps dans l'espace. Les entreprises de télécommunications utilisent des piles à combustible dans les tours de téléphonie cellulaire, de radio et de secours.
Questions et réponses
Q : Comment une pile à combustible produit-elle de l'électricité ?
R : Une pile à combustible produit de l'électricité en mélangeant du combustible à de l'air et en créant une réaction qui libère de l'énergie, crée de l'eau et parfois du dioxyde de carbone.
Q : Quel est le combustible le plus couramment utilisé dans les piles à combustible ?
R : Le combustible le plus couramment utilisé dans les piles à combustible est l'hydrogène.
Q : En quoi une pile à combustible diffère-t-elle d'une batterie ?
R : Une pile à combustible diffère d'une batterie en ce sens qu'elle est constamment alimentée en combustible, de sorte qu'elle ne s'épuise jamais, tant qu'il y a suffisamment de combustible disponible.
Q : Qu'est-ce que l'économie de l'hydrogène ?
R : L'économie de l'hydrogène fait référence à l'utilisation de l'hydrogène comme source de carburant afin de réduire la dépendance à l'égard des combustibles fossiles.
Q : Comment l'hydrogène est-il produit ?
R : L'hydrogène peut être produit par un procédé appelé reformage à la vapeur ou extrait de l'eau par un procédé appelé électrolyse.
Q : Que se passe-t-il lorsque l'hydrogène est séparé des combustibles fossiles ?
R : Lorsque l'hydrogène est séparé des combustibles fossiles, du dioxyde de carbone est libéré.
Q : Peut-on produire de l'hydrogène sans émettre d'émissions nocives ?
R : Oui, si l'énergie utilisée pour produire l'hydrogène provient de sources renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne, l'hydrogène produit est inoffensif car il n'y a pas d'émissions. L'hydrogène peut également être séparé du biogaz renouvelable, ce qui signifie que le carbone émis n'est pas d'origine fossile et fait donc partie du cycle naturel du carbone.
