Comment fonctionne la pile à combustible (partie 1)

Introduction

Il est possible que beaucoup de nouvelles sur les piles à combustible sont portés à leur attention ces derniers temps. Selon les rapports de diverses nouvelles, il est probable que dans un proche avenir, nous faisons usage des nouvelles technologies pour produire de l'énergie électrique que nous consommons dans nos voitures et nos maisons. La technologie est extrêmement intéressant pour nous tous et à toutes les étapes de la vie, car elle fournit les moyens d'obtenir de l'énergie plus efficacement et moins de pollution. Mais comment est-ce arrivé?

Dans cet article, nous examinons toutes légèrement technologies des piles à combustible, les actuels et émergents. Nous allons détailler comment il fonctionne et de discuter de ses applications potentielles.

Du point de vue technique, une pile à combustible est un dispositif de convertisseur d'énergie électrochimique. La pile à combustible transforme l'hydrogène et l'oxygène produits chimiques dans l'eau, et génère de l'électricité tout en le faisant. La pile à combustible doit être appelé une pile à combustible, mais la cellule terme finalement emporté.

Un autre dispositif électrochimique qui nous savons, c'est bien la batterie. Une batterie possède tous les éléments chimiques à l'intérieur, et aussi de les convertir en électricité. Cela signifie que la batterie finit par mourir, en nous obligeant à le jeter ou de le recharger.

Dans le cas de la pile à combustible, les produits chimiques ne cessent de circuler dans la cellule. Il ne meurt jamais. Comme il existe des produits chimiques qui coule, l'électricité découleront de la pile à combustible. Actuellement, la plupart des piles à combustible utilisant l'hydrogène et l'oxygène.

La pile à combustible sera en concurrence avec de nombreux autres types de convertisseurs d'énergie, notamment les turbines à gaz à la centrale de production d'électricité à partir de votre ville, le moteur à essence de votre voiture et la batterie de votre portable. Les moteurs à combustion comme la turbine et le moteur à essence brûlent des carburants et d'utiliser la pression créée par l'expansion des gaz d'effectuer un travail mécanique. Piles convertissent l'énergie chimique en énergie électrique, lorsque cela devient nécessaire. Les piles à combustible rendre ces tâches plus efficacement.

La pile à combustible fournit une tension DC (courant continu) qui peut être utilisé à des moteurs électriques, lampes et autres appareils électriques.

Il existe de nombreux types de piles à combustible, chacune avec un processus chimiques responsables de son fonctionnement. Elles sont généralement classées en fonction du type d'électrolyte qu'ils utilisent. Certains types de piles à combustible fonctionnent bien dans la production stationnaire d'électricité. Autres mai être utile pour de petites applications portables ou pour alimenter des voitures.

La pile à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) est l'une des technologies les plus prometteuses. C'est le type de pile à combustible qui finira par alimenter les voitures, les autobus, et peut-être même nos maisons. La PEMFC utilise l'une des réactions les plus simples de la pile à combustible. D'abord, regardons ce qui constitue une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM):

Figure 1 peut être considéré qu'il ya 4 éléments de base d'une PEMFC:

• L'anode, pôle négatif de la pile à combustible qui joue plusieurs rôles. Il mène les électrons libérés à partir de molécules d'hydrogène pour être utilisée dans le circuit extérieur. Elle dispose de voies de fait que la dispersion du gaz d'hydrogène de façon égale sur la surface du catalyseur.
• En attendant, la cathode, le pôle positif de la pile à combustible, a des canaux qui distribuent l'oxygène à la surface du catalyseur. Il mène également des électrons retour du circuit externe pour le catalyseur, où ils peuvent se recombiner avec les ions hydrogène et l'oxygène pour former de l'eau.
• L'électrolyte est la membrane échangeuse de protons. Ce matériau spécialement traité qui ressemble à une pellicule de plastique de la cuisine commune et n'effectue que des ions chargés positivement. Les blocs membrane électrons.
• Le catalyseur est un matériau spécial qui facilite la réaction entre l'oxygène et l'hydrogène. Il est généralement faite de poudre de platine très mince enduit sur le papier carbone ou en tissu poreux. Le catalyseur est rugueuse et poreuse de sorte que le maximum de surface du platine est exposé à l'hydrogène et l'oxygène. La platine côté couché du catalyseur fait face à la MEP.

Dans la figure 2, le gaz sous pression d'hydrogène (H2) entrant dans la pile à combustible sur le côté anode. Ce gaz est forcé à travers le catalyseur. La molécule H2, en contact avec le catalyseur de platine est divisé en 2 ions H + et 2 électrons. Les électrons sont conduites par l'anode, font leur chemin à travers le circuit extérieur (faire un travail utile, comme mettre un moteur) et le retour vers le côté cathode de la pile à combustible.

Pendant ce temps, sur le côté cathode de la pile à combustible, le gaz d'oxygène (O2) est forcée à travers le catalyseur, où il forme de 2 atomes d'oxygène. Chacun de ces atomes a une forte charge négative. Cette charge négative attire 2 H + ions à travers la membrane, qui se combinent avec un atome d'oxygène et les 2 des électrons du circuit extérieur pour former une molécule d'eau (H2O).

Cette réaction se produisant dans une pile à combustible unique ne produit qu'environ 0,7 volt. Pour augmenter la tension à un niveau raisonnable, de nombreuses cellules de carburant séparé doivent être combinées pour former une batterie de piles à combustible.

PEMFC fonctionnent à une température assez faible (environ 176 degrés Fahrenheit ou 80 degrés Celsius), ce qui signifie qu'ils peuvent se réchauffer rapidement et ne nécessitent pas de structures de confinement coûteuses. Des améliorations constantes dans l'ingénierie et les matériaux utilisés dans ces cellules ont augmenté la densité d'énergie de sorte que les dispositifs de la taille des petites valises ont été en mesure de déplacer les voitures.

Les problèmes de piles à combustible:

Dans la dernière section, nous avons vu une pile à combustible utilise de l'oxygène et l'hydrogène pour produire de l'électricité. L'oxygène nécessaire à une cellule à combustible vient de l'air, puis dans une pile à combustible PEM, l'air atmosphérique commun est pompée dans la cathode. Cependant, l'hydrogène n'est pas si facilement disponible. Il ya quelques limitations qui font qu'il est impossible pour la plupart des applications. Par exemple, il ya une canalisation d'hydrogène votre arrivée à la maison, et il n'est pas possible d'utiliser des bombes à hydrogène à la station-service.

L'hydrogène est difficile d'être stockés et distribués. Il serait beaucoup plus commode si les piles à combustible pourrait utiliser des combustibles disponibles plus facilement. Ce problème est résolu par un dispositif appelé un réformateur qui convertit les hydrocarbures en hydrogène ou de l'alcool, qui peut ensuite être utilisé pour alimenter la pile à combustible. Malheureusement, les réformateurs ne sont pas parfaits, générer de la chaleur et produisent des gaz autres que l'hydrogène. Ils utilisent différents appareils pour purifier l'hydrogène, mais n'arrive toujours pas à produire de l'hydrogène pur, ce qui réduit l'efficacité de la pile à combustible.

Le gaz naturel, le propane et le méthanol est considéré comme le combustible application la plus probable. Il existe déjà de nombreux logements et les bâtiments desservis par le gaz naturel ou des réservoirs de propane, de sorte que ces carburants sont l'utilisation la plus probable pour les piles à combustible à la maison. Le méthanol est un combustible liquide avec des propriétés semblables à l'essence (facile à transporter et à distribuer) et donc un candidat probable à l'alimentation électrique des voitures de piles à combustible.

Objectifs de piles à combustible:

Réduction de la pollution est l'un des objectifs prioritaires de la pile à combustible. En comparaison à une cellule de carburant d'une voiture essence et une batterie est facile de voir comment les piles à combustible peuvent améliorer l'efficacité des voitures.

Comme les 3 types de voitures ont les mêmes composants (pneus, transmission, etc.) Mettons de côté ces aspects et de comparer l'efficacité, au point où l'énergie mécanique est généré. Nous allons commencer la pile à combustible de voiture.

Comme la pile à combustible est alimentée à l'hydrogène pur, potentiellement, il pourrait avoir un rendement de 80%. Autrement dit, il convertit 80% de l'énergie contenue dans l'hydrogène en énergie électrique. Cependant, comme nous l'avons vu dans la section précédente, est difficile à stocker l'hydrogène dans la voiture. Lorsque nous ajoutons un réformateur de convertir du méthanol à l'hydrogène, les gouttes d'efficacité globale à une fourchette comprise entre 30 et 40%.

Nous avons toujours besoin de convertir l'énergie électrique en travail mécanique. Cela se fait par le moteur électrique et onduleur. Efficacité raisonnable pour le moteur / convertisseur est d'environ 80%. Nous avons donc entre 30 et 40% d'efficacité à convertir du méthanol en électricité et 80% d'efficacité dans la conversion de l'électricité en énergie mécanique. Cela donne un rendement global de 24% à 32%.

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Source: Karim Nice, traduit par HowStuffWorks Brésil.