Application et développement de la pile à combustible à oxyde solide

Cet article présente le principe et les scénarios d'application de la pile à combustible à oxyde solide, ainsi que son développement en Chine, aux États-Unis, au Japon, en Europe et en Corée du Sud.

Qu'est-ce qu'une pile à combustible à oxyde solide ?

La pile à combustible à oxyde solide (SOFC) est actuellement la pile à combustible la plus efficace, également connue sous le nom de pile à combustible céramique. Il s'agit d'une pile à combustible entièrement à l'état solide qui convertit efficacement l'énergie chimique de divers gaz combustibles (gaz naturel, gaz de décharge, gaz de charbon, méthanol, etc.

La structure du groupe des piles à combustible à oxyde solide est principalement : tubulaire, planaire et unique. Parmi eux, le type planaire est devenu la tendance de développement des piles à combustible à oxyde solide en raison de sa densité de puissance élevée et de son faible coût de fabrication.

Le principe de fonctionnement de la pile à combustible à oxyde solide est le même que celui des autres piles à combustible, ce qui équivaut en principe au dispositif "inverse" de l'électrolyse de l'eau. Sa cellule unique est composée d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte à oxyde solide.

L'anode est l'endroit où le combustible est oxydé, et la cathode est l'endroit où l'oxydant est réduit. Les deux électrodes contiennent des catalyseurs qui accélèrent la réaction électrochimique des électrodes. En fonctionnement, elle est équivalente à une alimentation en courant continu, son anode est le pôle anodique de l'alimentation, et la cathode est le pôle cathodique de l'alimentation.

Avantages et caractéristiques de la pile à combustible à oxyde solide

Les avantages des piles à combustible à oxyde solide vont de pair avec la libéralisation du marché de l'énergie, le renforcement de la sensibilisation à l'environnement et la tendance à la production d'électricité décentralisée. Les caractéristiques les plus attrayantes du système de piles à combustible à oxyde solide sont un rendement élevé, une forte adaptabilité aux combustibles et une quasi-absence d'émissions de particules, de NOx et de SOx.

Si l'on compare les spécifications économiques et techniques fixées par les systèmes concurrents tels que les moteurs à gaz, les turbines à gaz et les centrales à cycle combiné, le système combiné de piles à combustible à oxyde solide présente des avantages plus évidents que la technologie existante en termes de rendement électrique, de rendement à charge partielle et d'émissions. Les caractéristiques spécifiques de la pile à combustible à oxyde solide sont les suivantes.

(1) La température de fonctionnement de la pile à combustible à oxyde solide peut atteindre 1000 degrés Celsius, ce qui est actuellement la température de fonctionnement la plus élevée de toutes les piles à combustible. La production combinée de chaleur et d'électricité grâce à la technologie de récupération de la chaleur peut atteindre un rendement de plus de 80%.

(2) L'électrolyte de la pile à combustible à oxyde solide est solide, de sorte qu'il n'y a pas de problème d'évaporation et de fuite de l'électrolyte. En outre, il n'y a pas de problème de corrosion de l'électrode et la durée de vie est longue. En outre, comme les matériaux de la cellule qui composent le matériau sont tous solides, la forme de la batterie est flexible.

(3) L'opération directe de la pile à combustible à oxyde solide peut générer de l'électricité, et l'opération inverse est la cellule électrolytique à oxyde solide (SOEC). La SOEC peut utiliser la chaleur résiduelle et l'électricité renouvelable. En même temps, la vapeur d'eau à haute température et le CO₂ à haute température peuvent être utilisés dans des applications à grande échelle de la technologie SOEC. L'efficacité de l'électrolyse peut atteindre 85% à 95%, ce qui est beaucoup plus élevé que les autres technologies d'électrolyse de l'eau.

(4) La SOFC réagit chimiquement à haute température, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des métaux précieux comme catalyseurs, et elle a la capacité de reformage interne, et peut directement utiliser de l'hydrogène, des hydrocarbures (méthane), du méthanol, etc. comme carburant, ce qui simplifie le système de batterie.

(5) La SOFC peut fournir une chaleur résiduelle de haute qualité, réaliser la cogénération de chaleur et d'électricité, avoir un taux d'utilisation du combustible élevé, et le taux d'utilisation de l'énergie peut atteindre environ 80%. Il s'agit d'un système énergétique propre et efficace.

(6) La pile à combustible à oxyde solide présente une densité de courant et une densité de puissance élevées.

(7) La conception du système de la pile à combustible à oxyde solide est simple, la capacité de production d'énergie est importante et l'application est relativement étendue.

(8) La SOFC est une structure entièrement solide, ce qui permet d'éviter les problèmes de corrosion et de perte d'électrolyte causés par l'utilisation d'électrolytes liquides. La structure entièrement solide est également propice à la conception modulaire de la batterie, améliore la capacité spécifique de volume de la batterie et réduit les coûts de conception et de production.

(9) La pile à combustible à oxyde solide est compatible avec les combustibles traditionnels, mais son temps de démarrage est long, de sorte qu'elle convient comme unité d'alimentation auxiliaire pour les voitures de luxe, les véhicules de loisirs et les poids lourds.

Scénarios d'application de la pile à combustible à oxyde solide

Les piles à combustible à oxyde solide peuvent être appliquées à la production d'électricité distribuée, à l'alimentation de secours et à la cogénération, et peuvent être utilisées pour la production d'hydrogène, les stations d'approvisionnement énergétique complet, le stockage de l'énergie, la conservation de l'énergie chimique, les applications de transport (principalement utilisées dans les prolongateurs d'autonomie des véhicules commerciaux et l'alimentation auxiliaire des navires), etc.

Le micro-système de production d'énergie basé sur la pile à combustible à oxyde solide s'étend également au domaine de l'alimentation électrique portable, qui est lié à notre produit station de batterie portableLa pile à combustible à oxyde solide a une densité de puissance spécifique plus élevée, qui décrit la capacité de la batterie à libérer une grande quantité d'énergie en un instant. La pile à combustible à oxyde solide microtubulaire peut répondre à l'exigence d'un démarrage rapide.

Actuellement, la pile à combustible à oxyde solide est principalement utilisée dans les projets domestiques de production combinée de chaleur et d'électricité, et ne peut pas être appliquée aux centrales électriques à grande échelle. Cela s'explique par les nombreux défauts de la pile à combustible à oxyde solide elle-même, tels que la température de fonctionnement élevée, le temps de démarrage long, les exigences élevées en matière de matériaux, les problèmes d'étanchéité persistants, les coûts de fabrication élevés des composants, etc.

Développement d'une pile à combustible à oxyde solide

À l'heure actuelle, la technologie des piles à combustible à oxyde solide a mûri jour après jour dans les pays développés, représentés par les États-Unis et le Japon, et a commencé à entrer dans la phase initiale de l'application commerciale.

États-Unis

Les États-Unis soutiennent principalement la production d'électricité industrielle/commerciale à grande échelle à partir de piles à combustible. L'entreprise Bloom Energy est la plus grande entreprise de piles à combustible à oxyde solide au monde, avec une capacité installée totale de plus de 350 MW.

Elle a fourni des centaines de systèmes de production d'électricité distribuée par piles à combustible à des entreprises telles que Google, eBay et Wal Mart. Elle est actuellement reconnue comme l'entreprise disposant de la force technique la plus puissante et de l'exploitation la plus réussie dans l'industrie des piles à combustible à oxyde solide. L'efficacité de la production d'énergie de ses principaux produits peut atteindre 65%. Selon les statistiques, la taille du marché mondial des piles à combustible à oxyde solide et des SOEC atteindra 2 000 milliards de dollars américains.

Japon

Le développement des piles à combustible à oxyde solide au Japon est principalement encouragé par la NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan). L'objectif est que d'ici 2024, l'efficacité de la production d'énergie des piles à combustible à oxyde solide dépasse 65% (faible chaleur) et que la durée de vie atteigne 130 000 heures. Le projet principal est le développement et la vérification industrielle des technologies clés du système de piles à combustible à oxyde solide. Les principales institutions de R&D sont Aisin Seiki, Osaka Gas, Kyocera et Toyota Motor.

L'Europe

L'orientation du développement des piles à combustible à oxyde solide européennes est principalement basée sur l'électrolyse SOEC, et l'électricité renouvelable est utilisée pour produire de l'hydrogène par l'intermédiaire de la SOEC. L'entreprise représentative est Sunfire en Allemagne, qui a construit un équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau SOEC d'une puissance totale de 2,6 MW, qui est le plus grand équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau au monde.

En Europe, la pile à combustible à oxyde solide soutient principalement le projet national de cogénération (production combinée de chaleur et d'électricité) basé sur la pile à combustible à oxyde solide, et l'Europe mène principalement des activités de recherche et de développement sur les piles plates à oxyde solide et les systèmes de production d'électricité. À l'heure actuelle, l'Allemagne a mis en service plus de 50 000 unités de micro-cogénération et accorde des subventions de 7050 à 28200 euros pour l'installation du dispositif en fonction de la puissance de sortie. L'Allemagne est le pays d'Europe qui possède le plus grand nombre de micro-centrales de cogénération.

Corée

À l'heure actuelle, les piles à combustible à oxyde solide de Corée du Sud sont principalement utilisées dans le domaine des services publics. Les principales technologies disponibles sur le marché proviennent de deux entreprises, Ceres Power (Royaume-Uni) et Bloom Energy (États-Unis), et sont introduites et promues par Doosan et SK E&C respectivement.

La Corée du Sud est devenue un leader mondial dans l'utilisation des piles à combustible pour la production d'électricité à grande échelle, avec des déploiements de 370,7 MW, 464 MW et 605 MW en 2019, 2020 et 2021, respectivement. Selon le plan d'approvisionnement en électricité publié par le ministère du commerce, de l'industrie et de l'énergie (MOTIE), le déploiement des piles à combustible en Corée du Sud devrait encore s'étendre pour atteindre 800 MW d'ici 2022.

Chine

La technologie et l'industrie chinoises des piles à combustible à oxyde solide ayant été bloquées en Chine, la Chine ne peut qu'emprunter la voie d'un développement indépendant. Les institutions chinoises de recherche sur les piles à combustible sont principalement des universités et des instituts de recherche. Ces dernières années, de grandes entreprises, telles que l'une des 10 plus grandes entreprises de l'Union européenne, se sont lancées dans la recherche sur les piles à combustible. fabricants de piles à combustible En Chine, WEICHAI, CGN et Jinneng ont rejoint le réseau de recherche et développement sur les piles à combustible à oxyde solide afin d'accélérer le rythme de la commercialisation. À la fin de l'année 2020, il y avait 8 187 demandes de brevet liées aux piles à combustible à oxyde solide, la Chine se classant au premier rang avec 5 100 demandes.

La chaîne industrielle des piles à combustible à oxyde solide comprend principalement les piles individuelles et les matériaux en amont, les piles et les équipements auxiliaires (BOP), l'intégration des systèmes et les éléments d'application. Au niveau des batteries, plusieurs unités chinoises ont maîtrisé la technologie de production de masse de cellules uniques de grande surface, et la durabilité peut atteindre des dizaines de milliers d'heures, Chaozhou Three-Circle étant particulièrement remarquable. En ce qui concerne les piles de batteries, les entreprises chinoises sont encore relativement étendues en termes de conception de la structure de la batterie et d'assemblage de la cellule unique.

L'étanchéité de la batterie et la force d'adhérence du connecteur présentent encore des problèmes tels que l'instabilité du fonctionnement à long terme de la batterie, ce qui affecte considérablement la durée de vie du système de piles à combustible à oxyde solide. Par exemple, le niveau actuel en Chine est de l'ordre de milliers d'heures à 10 000 heures, mais la commercialisation des systèmes de piles à combustible à oxyde solide est prévue dans plus de 10 ans.

Actuellement, il n'existe pas d'entreprise de production professionnelle en Chine, pour les principales raisons suivantes : le marché des piles à combustible à oxyde solide n'a pas encore démarré, l'enthousiasme des entreprises n'est pas très grand et il n'y a pas beaucoup d'entreprises qui participent au développement et à l'industrialisation des piles à combustible à oxyde solide ;

Il n'y a pas de politiques de soutien correspondantes, et les subventions sont inférieures à celles de pays tels que l'Europe et les États-Unis. Outre les problèmes liés à la chaîne industrielle des pièces de rechange (BOP), il existe également des problèmes liés à l'optimisation de l'efficacité des systèmes, à la construction de systèmes à haute puissance et à la durée de vie des batteries.