L'avenir des piles à hydrogène - prévisions et attentes
En tant qu'énergie propre capable de stocker l'énergie résiduelle et de promouvoir le passage de l'énergie fossile traditionnelle à l'énergie verte, l'énergie hydrogène est considérée comme une technologie perturbatrice de la future révolution énergétique.
Pile à hydrogène est le vecteur clé pour réaliser la conversion de l'énergie de l'hydrogène en énergie électrique. Dans cet article, nous allons explorer les bases de la pile à combustible à hydrogène, son fonctionnement et sa recherche technologique.
Pile à hydrogène
La fonction de la batterie est de convertir l'énergie chimique stockée dans le matériau en énergie électrique.
L'hydrogène est riche en énergie chimique. S'il est utilisé sous forme de combustion, son efficacité sera inévitablement réduite en raison de la perte de chaleur.
Nous avons donc besoin d'un dispositif capable de contourner la combustion pour convertir directement l'énergie de l'hydrogène en électricité. Ce dispositif est une pile à hydrogène. Les piles à hydrogène fonctionnent exactement à l'inverse de l'électrolyse de l'eau.
Comment fonctionne la pile à hydrogène ?
Une pile à hydrogène est une batterie qui utilise l'élément chimique hydrogène pour stocker de l'énergie. Le principe de base est la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau, qui fournit de l'hydrogène et de l'oxygène à l'anode et à la cathode respectivement.
Parmi eux, l'hydrogène gazeux est décomposé en électrons et en protons (ions hydrogène) par un catalyseur.
Ensuite, les protons traversent la "membrane d'échange de protons" jusqu'à l'électrode négative et réagissent avec l'oxygène pour se transformer en eau et en chaleur.
Les électrons circulent du pôle positif au pôle négatif à travers un circuit externe, produisant ainsi de l'électricité.
Pile à hydrogène et batterie au lithium
Acquisition de matières premières
Une pile à hydrogène est un gaz d'hydrogène qui décompose les électrons et les ions d'hydrogène à travers le catalyseur (platine) dans l'électrode positive de la pile à combustible. Le platine du catalyseur est une ressource métallique rare, et les piles à hydrogène n'ont pas encore trouvé de matériau de remplacement.
Les matières premières des piles au lithium, telles que le phosphate de fer lithié, sont relativement plus abondantes et respectueuses de l'environnement. À l'heure actuelle, cellules lifepo4 ont été industrialisés et largement utilisés sur le marché.
Structure de la batterie
Les piles à combustible à hydrogène sont différentes des batteries au lithium courantes, et le système est plus complexe, principalement composé de piles et de composants de système (compresseurs d'air, humidificateurs, pompes de circulation d'hydrogène, bouteilles d'hydrogène).
Efficacité énergétique
Le processus de conversion de l'énergie électrique en force motrice pour les batteries au lithium est très court, avec charge et décharge, et très efficace. L'hydrogène doit également être converti par l'électricité, il est donc utilisé comme source d'énergie secondaire et l'efficacité de l'utilisation de l'énergie est faible.
Densité énergétique
Du point de vue de la densité énergétique massique, la densité énergétique des batteries au phosphate de fer lithié est de 100 à 200 Wh/kg, et la densité énergétique théorique des batteries au lithium ternaire est de 300 à 350 Wh/kg.
Les piles à hydrogène ont une densité énergétique supérieure à celle des batteries lithium-ion. Mais l'hydrogène actuel, sous-produit industriel, n'est pas assez pur pour être utilisé directement dans les systèmes de piles à hydrogène sans purification supplémentaire.
Coût
La source, le stockage et l'utilisation sûre de l'hydrogène sont très stricts, ce qui entraîne des coûts élevés pour les piles à combustible à hydrogène. Relativement parlant, les piles au lithium sont peu coûteuses et ont été produites à grande échelle.
Sécurité
Pour les piles à hydrogène, les fuites et le contrôle sont la principale source de risques potentiels pour la sécurité dans le système de batterie, qui appartient au niveau physique. Le risque de sécurité des batteries lithium-ion provient principalement de la réaction en chaîne incontrôlable, qui relève du niveau chimique. En cas de collision extrêmement violente, le danger de la pile à combustible sera encore plus grand.
Application de la batterie
Les véhicules à pile à hydrogène ne peuvent compter que sur des stations de ravitaillement en hydrogène, mais le coût de ces stations est très élevé.
Contrairement aux véhicules électriques au lithium-ion, les piles de recharge domestiques actuelles, remplacement de la batterie est de plus en plus mature, et le coût de remplacement des centrales électriques est également plus faible.
Recherche sur la technologie des piles à hydrogène
Les piles à hydrogène sont principalement composées de piles et de composants de système.
Électrode à membrane
L'électrode à membrane (MEA) est le composant central du système de pile à combustible à hydrogène. Elle est généralement composée d'une couche de diffusion cathodique, d'une couche catalytique cathodique, d'une membrane électrolytique, d'une couche catalytique anodique et d'une couche de diffusion gazeuse anodique, et détermine directement la densité de puissance, la durabilité et la durée de vie.
Bipolar plates
Sur la base de la capacité de production actuelle, les BP représentent près de 60% de la masse et plus de 10% du coût de l'ensemble des piles à combustible à hydrogène.
Composants des systèmes de piles à hydrogène
Afin de maintenir le fonctionnement normal de la pile, le système de pile à hydrogène nécessite également la coordination de sous-systèmes auxiliaires externes tels que le système d'approvisionnement en hydrogène, le système de gestion de l'eau et le système d'air. Les composants correspondants du système comprennent la pompe de circulation d'hydrogène, la bouteille d'hydrogène, l'humidificateur et le compresseur d'air.
La pile à combustible produira une grande quantité d'eau en fonctionnement, une teneur en eau trop faible produira un phénomène de "film sec", entravant le transport des protons ; une teneur en eau trop élevée produira un phénomène "d'inondation", entravant la diffusion du gaz dans les milieux poreux, la tension de sortie de la pile est faible.
Stratégie de contrôle du système
La durée de vie ou la durabilité d'un système de pile à hydrogène est étroitement liée à la stratégie de contrôle du système. Lors du démarrage d'un véhicule à pile à hydrogène, l'alimentation électrique doit être activée en temps réel pour obtenir une pression et un gaz de réaction suffisants
Au ralenti ou à l'arrêt, l'alimentation électrique doit également être activée afin de purger le gaz n'ayant pas réagi et l'eau générée dans la cheminée, pour éviter l'"inondation", la "fragilisation par l'hydrogène", la corrosion chimique et d'autres situations.
Perspectives d'application des piles à hydrogène
Les prévisions concernant les applications futures des piles à hydrogène comprennent principalement deux catégories : les transports et le stockage de l'énergie.
Les applications des piles à hydrogène dans le domaine des transports comprennent les voitures particulières, les véhicules commerciaux, les trains, les bateaux, les avions, etc.
Les poids lourds à pile à hydrogène sont au cœur du développement actuel des véhicules à pile à combustible. Les poids lourds à hydrogène peuvent fonctionner sans problème à basse température et dans des environnements difficiles, ce qui comble largement les défauts et les lacunes des véhicules électriques purs.
Le stockage de l'énergie dans les piles à hydrogène est une forme de stockage de l'énergie chimique. Les piles à hydrogène peuvent être fortement couplées à de nouveaux systèmes d'énergie pour former des batteries à grande échelle, à long terme et intersaisonnières. solutions de stockage de l'énergie.
Dans l'ensemble, les perspectives d'application des piles à hydrogène sont vastes. Avec une recherche et un développement continus, les piles à hydrogène ont le potentiel de jouer un rôle important pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux d'une manière durable et respectueuse de l'environnement.
