Analyse complète des piles à combustible - comparaison et perspectives
La pile à combustible fonctionne en continu et est peu polluante. La production d'énergie électrique par unité de poids de la pile à combustible est importante, de même que la puissance de sortie par unité de poids. Cet article présente le principe de fonctionnement et la classification des piles à combustible, et analyse les caractéristiques et la comparaison entre les piles à combustible et les batteries lithium-ion.
Comment fonctionne une pile à combustible
La pile à combustible contient deux électrodes, positive et négative, qui sont respectivement remplies d'électrolyte, et l'espace entre les deux électrodes est composé d'une membrane perméable. L'hydrogène entre dans le combustible par l'anode et l'oxygène (ou l'air) entre dans la pile par la cathode. Sous l'action du catalyseur, les atomes d'hydrogène de l'anode sont décomposés en protons d'hydrogène et en électrons.
Parmi eux, les protons pénètrent dans l'électrolyte, sont "attirés" par l'oxygène de l'autre côté du film, les électrons forment un courant à travers un circuit externe, puis atteignent la cathode. Sous l'action du catalyseur de la cathode, les protons d'hydrogène, l'oxygène et les électrons réagissent pour former des molécules d'eau. C'est exactement l'inverse de l'électrolyse de l'eau, de sorte que l'eau est la seule émission de la pile à combustible. Grâce à ce principe, la pile à combustible peut transmettre continuellement de l'électricité à l'extérieur lorsqu'elle fonctionne, et c'est une sorte de "générateur".
Types de piles à combustible
Selon l'électrolyte de la pile à combustible
1. la pile à combustible alcaline (AFC) : La pile à combustible alcaline a un rendement élevé et son développement est très avancé, mais ses conditions de fonctionnement nécessitent l'isolation du CO2, et ses domaines d'application sont principalement concentrés dans l'aérospatiale.
2. la pile à combustible à acide phosphorique (PAFC) : La technologie des piles à combustible à l'acide phosphorique est appelée la pile à combustible de première génération, qui est la plus proche de la pile à combustible commerciale, mais la pile à combustible à l'acide phosphorique doit utiliser un catalyseur à base de métaux précieux et de platine, le coût est élevé, et son fonctionnement La température n'est pas assez élevée, et la valeur d'utilisation de la chaleur résiduelle est faible.
3. la pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) : La pile à combustible au carbonate fondu est appelée pile à combustible de deuxième génération. En raison de sa température de fonctionnement élevée, les exigences en matière de matériaux pour les piles sont également élevées.
4. Pile à combustible à oxyde solide (SOFC) : La pile à combustible à oxyde solide est appelée pile à combustible de troisième génération. Elle a un rendement élevé et est considérée comme la plus adaptée à la cogénération avec de bonnes performances. En raison de sa température de fonctionnement élevée, les exigences en matière de matériaux pour les piles sont également élevées. Par rapport à la pile à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC), ses avantages uniques sont plus évidents, tels que l'absence de catalyseurs à base de métaux nobles, une plus grande sélectivité du combustible, une température élevée de la chaleur résiduelle et un rendement élevé de la production d'énergie.
5. Pile à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) : La technologie des piles à combustible à membrane échangeuse de protons a connu un développement rapide dans un avenir proche. Elle utilise une membrane polymère plus fine comme électrolyte, qui a une puissance spécifique élevée et une température de fonctionnement basse. Elle est particulièrement adaptée à l'alimentation électrique portable et à l'alimentation des véhicules à énergie nouvelle. Toutefois, le principal problème actuel est son coût trop élevé.
La pile à combustible à méthanol direct (DMFC) est une sorte de pile à combustible à membrane d'échange de protons. La DMFC, qui en est encore au stade du développement, utilise une membrane d'acide perfluorosulfonique comme électrolyte, et sa température de fonctionnement va de la température ambiante à 200°C. Elle est utilisée pour l'alimentation électrique des micro-mobiles.
| Type de pile à combustible | AFC | PAFC | PEMFC | MCFC | SOFC |
|---|---|---|---|---|---|
| Électrolyte | Solution d'hydroxyde de potassium | Acide phosphorique | Membrane perméable aux protons | Carbonate de potassium | Oxyde solide |
| Carburant | Hydrogène pur | Gaz naturel, Hydrogène | Hydrogène, méthanol, gaz naturel | Gaz naturel, Gaz de houille, Biogaz | Gaz naturel, Gaz de houille, Biogaz |
| Oxydant | Hydrogène pur | Air | Air | Air | Air |
| Efficacité | 60%~90% | 37%~42% | 43%~58% | 50%~60% | 50%~65% |
| Température de travail | 60~120 | 160~220 | 60~120 | 600~1000 | 600~1000 |
Selon le mécanisme de fonctionnement de la pile à combustible
● Pile à combustible acide
● Pile à combustible alcaline
Selon le type de carburant
● Pile à hydrogène
● Pile à combustible au méthane
● Pile à combustible au méthanol
● Pile à combustible à l'éthanol
En ce qui concerne les piles à combustible, nous avons également établi un classement des 10 premières piles à combustible. fabricants de piles à combustible en Chine pour votre référence.
Quels combustibles peuvent être utilisés dans les piles à combustible ?
Les piles à combustible peuvent utiliser divers types de combustibles de manière flexible. Si l'hydrogène est la source de combustible la plus courante (d'où le nom familier de pile à combustible à hydrogène), les combustibles riches en hydrogène tels que le gaz naturel et l'ammoniac sont également envisageables.
Hydrogène : Lorsque l'hydrogène est produit à partir d'électricité renouvelable, comme l'énergie solaire, éolienne ou hydroélectrique, le processus de production peut être totalement neutre en carbone. Les piles à hydrogène, qui utilisent l'hydrogène comme combustible, produisent de l'électricité, de la chaleur et de l'eau sans rejeter de dioxyde de carbone ou d'autres polluants dans l'air.
Gaz naturel : L'hydrogène vert n'ayant pas encore été produit en masse, le gaz naturel reste la principale source de production d'hydrogène. Dans ce cas, la pile à combustible n'est pas totalement exempte d'émissions, mais elle émet beaucoup moins d'émissions que d'autres combustibles tels que le pétrole et le charbon.
Ammoniac : L'ammoniac est principalement utilisé comme engrais dans l'agriculture. Ces dernières années, certaines entreprises se sont consacrées au développement de l'ammoniac vert, qui peut être alimenté par l'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène à partir de sources d'énergie alternatives, ce qui en fait un carburant alternatif à faible teneur en carbone.
Caractéristiques et performances de la pile à combustible
1. efficacité élevée de la production d'électricité
La production d'électricité par les piles à combustible n'est pas limitée par le cycle de Carnot. En théorie, son efficacité de production d'énergie peut atteindre 85% à 90%. Cependant, en raison des limitations des différentes polarisations en cours de fonctionnement, le rendement actuel de conversion énergétique de la pile à combustible est d'environ 401 à 601 TTP3T. Si la cogénération de chaleur et d'électricité est réalisée, le taux d'utilisation total du combustible peut atteindre 80%.
2. moins de pollution de l'environnement
Lorsque la pile à combustible utilise un gaz riche en hydrogène tel que le gaz naturel comme combustible, les émissions de dioxyde de carbone sont réduites de plus de 40% par rapport au processus du moteur thermique, ce qui est très important pour atténuer l'effet du réchauffement de la planète.
En outre, comme le gaz combustible de la pile à combustible doit être désulfuré avant la réaction et que l'électricité est produite selon le principe électrochimique, il n'y a pas de processus de combustion à haute température, de sorte qu'il n'y a pratiquement pas d'émissions d'oxydes d'azote et de soufre, ce qui réduit la pollution de l'atmosphère.
3. Énergie spécifique élevée
L'énergie spécifique de la pile à combustible à hydrogène liquide est 800 fois supérieure à celle de la batterie nickel-cadmium, et l'énergie spécifique de la pile à combustible à méthanol direct est plus de 10 fois supérieure à celle de la batterie lithium-ion (la batterie rechargeable ayant la densité énergétique la plus élevée). À l'heure actuelle, bien que l'énergie spécifique réelle de la pile à combustible ne représente que 10% de la valeur théorique, elle est encore bien plus élevée que l'énergie spécifique réelle de la batterie générale.
4. faible bruit
La pile à combustible a une structure simple, peu de pièces mobiles et un faible niveau de bruit pendant le fonctionnement. Même à proximité d'une centrale électrique à pile à combustible de 11 MW, le bruit mesuré est inférieur à 55 dB.
Pour la pile à combustible, tant que des substances contenant des atomes d'hydrogène peuvent être utilisées comme combustibles, comme le gaz naturel, le pétrole, le charbon et d'autres produits fossiles, ou le biogaz, l'alcool, le méthanol, etc., la pile à combustible est donc tout à fait adaptée aux besoins de diversification énergétique et peut ralentir l'épuisement des principales sources d'énergie.
Comparaison entre une batterie lithium-ion et une pile à combustible
Le principe de fonctionnement de la pile à combustible : sa batterie se transforme directement en énergie électrique par l'action chimique de l'hydrogène et de l'oxygène, sans combustion, de sorte qu'aucun polluant n'est produit et que le taux d'utilisation du carburant est très élevé. Le principe de fonctionnement de la batterie au lithium est également celui de l'hybride. La plupart des modèles hybrides actuels (au stade initial) utilisent des batteries au lithium.
Les piles à combustible ne peuvent pas stocker l'électricité, c'est-à-dire qu'elles sont utilisées immédiatement et qu'il n'y a pas d'électricité sans ravitaillement. En d'autres termes, les batteries au lithium convertissent l'énergie électrique en énergie chimique en énergie électrique, tandis que les piles à combustible convertissent directement l'énergie chimique en énergie électrique.
Les piles au lithium peuvent stocker l'électricité, sont faciles à transporter et peuvent être utilisées comme batteries pour l'énergie mobile. Les piles au lithium sont largement utilisées dans le stockage de l'énergie domestique, les voiturettes de golf, les roues motrices et d'autres équipements. Les spécifications courantes des piles au lithium sont les suivantes Batterie lithium-ion 12 V. La pile à combustible est née pour les véhicules électriques/hybrides. Les deux batteries sont la source d'énergie la plus populaire pour les voitures.
● En termes d'autonomie de croisière, la pile à combustible présente plus d'avantages, près de deux fois plus que les batteries lithium-ion.
● La pile à combustible et la batterie lithium-ion ont toutes deux un faible impact sur l'environnement. Le produit de la combustion de la première est de l'eau et ne produit pas de gaz à effet de serre généré par la combustion de l'essence ou du diesel. Les produits de décharge des batteries lithium-ion peuvent être de l'oxyde de lithium, de l'hydroxyde de lithium, etc. et n'affectent pas l'environnement. En outre, les batteries lithium-ion sont réutilisables.
● La pile à combustible se recharge plus rapidement que la batterie Li-ion.
● Toutefois, les batteries au lithium étant plus mûres, le coût des stations de recharge et des batteries est beaucoup moins élevé que celui des piles à combustible.
Les deux types de batteries sont prometteurs, mais leurs orientations futures peuvent différer. Les batteries au lithium conviennent mieux aux voitures particulières, tandis que les piles à hydrogène conviennent mieux aux véhicules commerciaux. Les systèmes de batteries lithium-ion sont plus adaptés au remplacement des moteurs à essence, tandis que les systèmes de piles à hydrogène sont plus adaptés au remplacement des moteurs diesel. C'est la raison pour laquelle la recherche technique actuelle se concentre sur les véhicules utilitaires à pile à combustible. Pour comparer les piles à combustible et les autres batteries, vous pouvez également consulter les sites suivants Batterie de flux et pile à combustible.
