Plus tôt, nous avons introduit les événements de développement des piles à combustible. Comme nous pouvons le constater, le développement des piles à combustible au fil du temps a été diversifié, conduisant à une variété de types et de nombreuses méthodes de classification. Cependant, la classification la plus courante est basée sur le type d’électrolyte, y compris les « piles à combustible à membrane d’échange de protons », les « piles à combustible alcalines », les « piles à combustible à acide phosphorique », les « piles à combustible à carbonate fondu » et les « piles à combustible à oxyde solide ». En plus de la classification par type d’électrolyte, il existe également des classifications basées sur la température de réaction, différents combustibles et d’autres méthodes.
Dans l’article précédent sur le développement des piles à combustible, nous avons mentionné que les piles à combustible à membrane d’échange de protons (PEMFC) occupent une position dominante à la fois dans les applications pratiques et dans la recherche. Bien sûr, les piles à combustible à oxyde solide et les piles à combustible à carbonate fondu ont également un certain statut de recherche. Ensuite, nous présenterons brièvement certains types de piles à combustible couramment étudiés.
Pile à Combustible à Membrane d’Échange de Protons (PEMFC)
En tant que l’un des matériaux clés dans les piles à combustible, les membranes d’échange de protons ont suscité une attention généralisée et des recherches approfondies de la part des chercheurs du monde entier. Les matériaux fluoropolymères, les polymères aromatiques et les matériaux hybrides organiques/inorganiques ont été successivement développés comme membranes d’échange de protons.
Dans les piles à combustible à membrane d’échange de protons, l’électrolyte est l’un des matériaux clés. C’est une membrane polymère très fine, dont la membrane protonique à acide perfluorosulfonique Nafion de DuPont est un type. Cette membrane polymère peut conduire les protons tout en restant non conductrice. Les matériaux d’électrode sont généralement composés de carbone ou de métal, le platine supporté par du carbone étant utilisé comme catalyseur pour les réactions à l’anode et à la cathode. La température de fonctionnement des PEMFC est d’environ 80°C, et une cellule unique peut produire environ 0,7V de tension. Dans les applications pratiques, pour atteindre une tension plus élevée, plusieurs cellules uniques doivent être connectées en série pour former un empilement de piles à combustible, généralement composé d’environ 200 à 500 cellules, avec le nombre spécifique ajusté en fonction des situations et des besoins réels.
Les piles à combustible à membrane d’échange de protons peuvent démarrer rapidement dans des conditions de serre, décharger facilement les sous-produits de l’eau, avoir une longue durée de vie, une haute puissance spécifique, une haute énergie spécifique, un petit volume et sont actuellement largement utilisées dans les véhicules électriques et les dispositifs de production d’électricité domestique distribués. Outre ces caractéristiques, elles ont également une haute efficacité opérationnelle, atteignant généralement 40 % à 60 %, et une excellente réponse dynamique, permettant un ajustement rapide de la puissance de sortie en fonction de la demande en électricité.
Note : Le principe de fonctionnement des véhicules à pile à combustible à hydrogène
Malgré les avantages évidents des piles à combustible à membrane d’échange de protons, elles ont également des inconvénients. Elles nécessitent une pureté très élevée de l’hydrogène et de la qualité de l’air, car le catalyseur en platine est très sensible à la contamination par des impuretés telles que le monoxyde de carbone et les sulfures, ce qui peut réduire considérablement l’activité catalytique et raccourcir considérablement la durée de vie de la pile à combustible.
Pile à Combustible Alcaline (AFC)
Les piles à combustible alcalines (AFC) sont nées dans les années 1960 avec l’entreprise américaine P&W, qui a amélioré la pile à combustible de Bacon pour créer l’AFC. Ces piles à combustible ont ensuite été utilisées dans le programme Apollo. Les AFC peuvent atteindre des rendements allant jusqu’à 70 % et leur conception est très similaire à celle des PEMFC, avec la différence clé que les AFC utilisent une solution aqueuse alcaline forte comme électrolyte, telle que l’hydroxyde de potassium ou l’hydroxyde de sodium. Lors de la réaction électrochimique, les ions hydroxyde se déplacent de la solution électrolytique vers l’anode, où ils réagissent avec l’hydrogène dans une réaction d’oxydation, produisant de l’eau et des électrons. Les électrons se déplacent à travers un circuit externe vers la cathode, où ils réagissent avec l’oxygène et l’eau pour produire davantage d’ions hydroxyde. Le principe de fonctionnement des AFC est illustré dans la figure ci-dessous :
La température de fonctionnement des AFC est similaire à celle des PEMFC, autour de 80°C. Les AFC ont une vitesse de démarrage plus rapide mais leur densité de courant n’est qu’environ un dixième de celle des PEMFC, ce qui les rend moins adaptées comme sources d’alimentation portables. Les AFC sont les moins coûteuses à fabriquer parmi les piles à combustible et sont souvent utilisées dans les petits dispositifs de production d’électricité stationnaires. Les catalyseurs utilisés dans les AFC peuvent être du platine ou des catalyseurs en métal non précieux (comme le nickel), ce qui rend le coût des électrolytes dans les AFC beaucoup plus bas que dans les PEMFC.
Un défi majeur pour les piles à combustible alcalines est leur sensibilité au dioxyde de carbone. La formation de carbonates, même à partir de petites quantités de dioxyde de carbone dans l’air, peut affecter de manière significative les performances et la durabilité de la cellule. Bien que les AFC avec des électrolytes liquides puissent fonctionner en mode de recirculation pour régénérer l’électrolyte et aider à atténuer l’impact de la formation de carbonates, ce mode introduit le problème des courants de fuite. Les systèmes d’électrolytes liquides ont également d’autres problèmes, notamment la mouillabilité, l’augmentation de la corrosion et les difficultés de gestion des différences de pression.
Pile à Combustible à Carbonate Fondu (MCFC)
Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) sont une technologie de production d’électricité hautement efficace et durable, avec une grande efficacité de conversion énergétique et des émissions propres, ce qui en fait une technologie de production d’électricité prometteuse. Cependant, en raison de leur haute température de fonctionnement et des propriétés particulières de l’électrolyte de carbonate fondu, le développement des MCFC a été entravé.
L’électrolyte utilisé dans les MCFC est constitué de solutions de carbonate de lithium, de carbonate de sodium ou de carbonate de potassium. Ces piles peuvent atteindre des rendements allant jusqu’à 60 % et une puissance de fonctionnement allant jusqu’à 100 MW. De plus, en utilisant la chaleur résiduelle, l’efficacité énergétique peut atteindre jusqu’à 85 %. Cette haute efficacité est due aux températures de fonctionnement élevées de 620 à 660 °C, qui permettent une utilisation plus flexible de divers types de combustibles et de catalyseurs peu coûteux (comme le nickel), tout en assurant la conductivité de la solution électrolytique. Le principe de fonctionnement des MCFC est illustré dans la figure ci-dessous :
Les MCFC peuvent utiliser une variété de combustibles, y compris l’hydrogène, le monoxyde de carbone, le méthane, le biogaz, le gaz de charbon désulfuré ou le gaz naturel. Les processus de fabrication des membranes et des électrodes MCFC sont mûrs, permettant une production de masse. Cependant, les hautes températures de fonctionnement et l’environnement fondu corrosif peuvent provoquer la corrosion et la dissolution des matériaux des cellules, réduisant considérablement leur durée de vie. Actuellement, la corrosion des matériaux est l’un des principaux défis freinant le développement des MCFC.
Malgré des problèmes tels que la stabilité dans des environnements corrosifs et une densité de puissance inférieure par rapport à d’autres piles à combustible, la technologie MCFC est devenue le choix préféré pour la production d’électricité stationnaire commerciale. Plusieurs entreprises dans le monde testent des systèmes de production d’électricité MCFC à l’échelle du kilowatt au mégawatt et fournissent des systèmes MCFC à des industries ayant des besoins en énergie relativement plus faibles. De plus, il y a une exploration des applications des MCFC dans des domaines tels que le transport maritime. En raison du développement rapide de la recherche et de la commercialisation, les MCFC sont en tête du nombre d’unités de générateurs installées parmi toutes les technologies de piles à combustible.
Pile à Combustible à Oxyde Solide (SOFC)
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), également connues sous le nom de piles à combustible en céramique, sont le type de pile à combustible le plus efficace, fonctionnant à des températures élevées de 600 à 1000°C, ce qui entraîne une activité de réaction très élevée. Parmi toutes les configurations de piles à combustible, les SOFC ont la plus haute efficacité de conversion énergétique. Elles présentent également plusieurs avantages, tels que l’absence de bruit, de faibles émissions et une large gamme d’options de carburant (par exemple, le gaz naturel, le gaz de synthèse [un mélange de CO, H2, etc.], le biogaz tel que le méthane, le gaz de charbon, le méthane de couche de charbon, le gaz de schiste et le gaz sous-produit industriel).
Une SOFC est composée d’une anode, d’une cathode, d’un électrolyte, d’un interconnecteur et de matériaux d’étanchéité. La fonction principale des électrodes est de fournir un site pour les réactions électrochimiques et de conduire les électrons nécessaires à ces réactions. La fonction principale de l’électrolyte est de conduire les ions oxygène ou les protons. L’interconnecteur relie les cellules individuelles pour obtenir une haute puissance de sortie et empêche les réactions directes entre l’air et le carburant. Les matériaux d’étanchéité maintiennent le carburant et l’air séparés dans leurs zones de flux respectives.
Il existe deux principaux types de structures SOFC : tubulaire et planaire.
La structure tubulaire est la première structure de cellule SOFC développée et est actuellement une technologie relativement mature. Les cellules tubulaires ont un haut degré de liberté et ne se fissurent pas facilement ; elles utilisent des céramiques poreuses comme support, ce qui rend la structure robuste ; l’assemblage des cellules est relativement simple, facilitant la combinaison des cellules en parallèle et en série pour former des packs de batteries de haute puissance. Cependant, les SOFC tubulaires ont des électrolytes relativement épais, entraînant une résistance ohmique élevée et donc une densité de puissance plus faible.
La structure planaire SOFC et le processus de préparation sont plus simples, ce qui peut réduire considérablement les coûts de fabrication. Les structures planaires utilisent des électrolytes à couche mince, ce qui réduit considérablement la résistance ohmique de la cellule et améliore ses performances électrochimiques. Cependant, les bords des composants de la cellule planaire doivent être scellés pour isoler les gaz oxydants et les carburants, et les matériaux interconnecteurs bipolaires doivent être thermiquement compatibles avec les matériaux des électrodes et avoir une bonne résistance à l’oxydation à haute température et conductivité.
En raison de la température de réaction des SOFC étant de 600 à 1000°C, le temps de démarrage est relativement long, ce qui les rend inadaptées aux applications nécessitant une mise en marche/arrêt immédiate, comme le transport. Elles sont plutôt plus adaptées aux scénarios de production d’électricité à faible teneur en carbone nécessitant une opération 24 heures sur 24, tels que les centres de données, les usines, les ports, les immeubles de bureaux, les hôpitaux et les îles éloignées.
Pile à Combustible au Méthanol Direct (DMFC)
Les piles à combustible au méthanol direct (DMFC) sont un type de pile à combustible à membrane d’échange de protons, caractérisé par leur légèreté, leur haute puissance, leur longue durée de vie et l’utilisation de méthanol comme source directe de carburant pour la production d’électricité. Les DMFC utilisent des électrodes de membrane polymère similaires à celles utilisées dans les piles à combustible à membrane d’échange de protons. Pendant le fonctionnement, la cellule consomme de l’eau à l’anode et produit de l’eau à la cathode. Lors de l’utilisation de méthanol pur, la densité énergétique de la cellule est relativement élevée, ce qui en fait une option potentielle pour les applications de véhicules électriques.
Étant donné que les DMFC utilisent directement le méthanol comme carburant, ils sont aussi faciles à transporter et à utiliser que l’essence. Le méthanol est rentable et peut être obtenu à partir de ressources renouvelables et non renouvelables. Connu sous le nom de « soleil liquide », le méthanol offre des avantages en termes d’autoproduction d’énergie et de stockage d’énergie d’urgence à long terme. Cela rend les DMFC largement applicables dans les véhicules électriques, les stations de base de communication, les applications militaires, la propulsion maritime et les centrales électriques distribuées, avec le potentiel de devenir grand public dans les futurs produits électroniques portables.
Les DMFC peuvent être classées en deux types principaux : passives et actives. Elles diffèrent par la puissance de sortie et les composants. Les piles à combustible passives génèrent de l’électricité grâce à l’écoulement naturel du méthanol liquide dans la cellule, tandis que les piles à combustible actives utilisent des pompes pour faire circuler le méthanol vers l’anode. La pompe régule le débit de méthanol, assurant un approvisionnement constant en carburant vers l’anode. Un système de contrôle surveille l’état de la pile à combustible en temps réel, ajustant la vitesse de la pompe et la concentration de méthanol pour maintenir des performances optimales. Cette approche permet aux piles à combustible actives d’atteindre une densité de puissance plus élevée que les piles à combustible passives. Le choix entre les deux types dépend des exigences spécifiques de l’application et du compromis entre les performances et les coûts.
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