Una pila de combustible es una pila que la generacion d'una tension electrica se fa mercé a l'oxidacion sus un electròde d'un combustible reductor (per exemple l'idrogèn) acoblat a la reduccion sus l'autre electròde d'un oxidant, coma l'oxigèn de l'aire.
de 1839 a 1842: Realizacion del primièr modèl de laboratòri de pila de combustible per William R. Grove.
1932: Novèls estudís sus la pila de combustible per Francis T. Bacon, que realiza un primièr prototipe de 1 kW en 1953, puèi 5 kW en 1959. Aqueste prototipe servirà de modèl per las futuras pilas de combustible utilizadas pendent de missions espacialas Apollo.
Plan fòrça temps (mai d'un sègle) passèt entre la realizacion del primièr modèl de pila de combustible e las primièras utilizacions s'explica pel plan fòrt desvolopament que coneguèron los autres tipes de generators d'energia electrica e pel fach que lo cost dels materials utilizats dins la pila de combustible demora ara encarat naut.
Piscina municipala de Woking. Primièra experiéncia anglesa de pila de combustible foncionant en cogeneracion (calor + electricitat per l'esclairatge).
Una pila de combustible es un generator ont la fabricacion de l'electricitat se fa mercé a l'oxidacion sus un electròde d'un combustible reductor (per exemple diidrogèn) acoblat a la reduccion sus l'autre electròde d'un oxidant, coma lo dioxigèn de l'aire. La reaccion d'oxidacion de l'idrogèn es accelerada per un catalisor qu'es mai sovent de platin. Se d'autres combinasons son possiblas, la pila mai correnta es la pila diidrogèn-dioxigèn o diidrogèn-aire (aquò s'explica entre autre a causa de l'abondància de la fonts en idrogèn sus Tèrra e la facilitat de produccion del diidrogèn)[1].
Dempuèi 1977, de pilas (utilizadas suls satellits) contenon[2] de membranas en polimèrs (electrolit solid acid o alcalin) fachs conductors, prenent la forma d'una membrana prima separant les dos electròdes. Aquestes polimèrs contenon de platin. Coma es un metal rar, polluent e costós, se cèrca donc d'alternativas; es testat, per exemple en China, un polimèr (polisulfòn o polsulfòn d'amòni quaternari amb un catòde (costat oxigèn) en argent e un anòde (costat idrogèn) en niquèl placat de cròme[3].
En 2010, de cercaires americans e de cercaires alemands prepausèron d'integrar un catalisor suplementari, mens costós e que poiriá devesir per dos la quantitat de platin de las pilas de combustibles Nature Chemistry[4]; s'agís de nanosfèras bastidas amb d'atòms de platin e de coire, que las particulas de coire son en seguida en partida extrachas, daissant una mena de nanoclòsc de platin d'unes atòms d'espessor. Lo metòde de produccion d'aquestas nanosfèras es tala que diminuís lor capacitat de fixacion de l'oxigèn, çò que favoriza la formacion d'aiga fasent la pila mai productiva. Segon aquesta equipa aquò poiriá reduire de 80 % lo priètz de las pilas de combustible. Aqueste procès poiriá èsser aplicat a d'autres metals per produire d'autres tipes de catalisors podent per exemple permetre una produccion d'idrogèn e d'oxigèn a partir d'aiga coma estocatge quimic de l'energia electrica producha per d'eolianas o de panèls solars, abans de la tornar jos forma d'electricitat.
En 2012, la sociatat israeliana CellEra declarèr aver concebur una tecnologia de pila de combustible de membrana qu'utiliza pas de platin, mejan un electrolit polimèr solid que mena d'ions OH- en mitan alcalin[5]. Aquesta societat pausèt detz brevets al subjècte d'aquesta tecnologia[6]
Lo foncionament d'una pila diidrogèn-dioxigèn es fòrça plan neta que produch pas que d'aiga e consoma sonque de gases. Mas fins a 2010 la fabricacion d'aquestas pilas èra plan costosa, que la quantitat non negligible de platin necessàri e del cost de las membranas escambiadissas d'ions[7].
La sintèsi, l'estocatge e lo provesiment en diidrogèn son una partida de l'escomesa que sus Tèrra, l'idrogèn es abondant, mas sempre combinat (a l'oxgèn (H2O, es a dire l'aiga), de sofre (sulfur d'idrogèn, H2S), de carbòni (combustibles fossils de tipes gas natural o petròlis)...
Lo diidrogèn pòt èsser produch en descompausant d'aiga, de metan o de fusta/gasogèn,[8] (pendent 2 ans lo projècte « Epilog » testèt amb astre de pilas de combustible al gas natural a Forbach[9]), per via termica o electroquimica (electrolisi de l'aiga). Produire d'idrogèn demanda una font d'energia renovelabla (coma l'idroelectrica, lo solar, l'eolian), d’electricitat nucleara o de combustibles fossils.
Lo diidrogèn pòt èsser estocat e transportat;
per via gasosa: comprimat dins de botelhas o de sèrvas (pression mai sovent de 350, 550 o 700 bar) ;
per via liquida: liqueficat (abandonat per la mobilitat) o combinat quimicament jos forma de metanòl o de metan que seràn enseguida transformats per liberar lo diidrogèn.
Un grop electrogèn permet un rendiment de 25 % e una pila d'idrogèn pòt aténher 50 a 60% (veire encara mai amb la recuperacion de calor[11]), mas los rendiments energetics comolats de la sintèsi del diidrogèn e de la compression o liquefaccion son encara plan fèbles. Aquí, lo diidrogèn es pas una font d'energia primària; es un vector d'energia.
Lo principi de la pila de combustible es l'invèrs d'una electrolisi. La reaccion quimica producha per l'oxidacion e l'encontra de gas produch d'electricitat, d'aiga e de la calor. Lo foncionament de la pila de combustible demanda un provesiment en combustible, lo mai utilizat essent l'idrogèn. Una pila de combustible produch una tension electrica d'unes 0,7 a 0,8 vòlt[12], segon la carga (densitat de corrent) e produch de calor. Lor temperatura de foncionament varia de 60 a 200% segon los modèls. L'aiga es mai sovent largada jos forma de vapor amb lo demai de dioxigèn.
Existís mai d'un tipes de pilas de combustibles que las mai conegudas son:
Una pila de combustible de membrana d'escambidoira de protons conten:
doas placas bipolaras:
una per distribuir l'idrogèn,
una autra per distribuir l'oxigèn e sortir l'aiga,
dos electròdes: un anòde e un catòde per far circular lo corrent electric (electrons),
una membrana escambiadoira de protons fasent foncion d'electrolit: bloc lo passatge dels electrons e daissa passar los ions H+
de catalisors (platin): accelèran las reaccions entre los gases.
L'idrogèn (venent d'una electrolisi o d'un reformatge d'idrocarburs) dintra per la placa bipolara a esquèrra sus la figura. Arribat a l'anòde, lo diidrogèn (H2) se dissocia (oxidatcon) en ions H+ e en electrons segon: 2H2 = 4H+ + 4e−. Los ions passan alara la membrana, mas los electrons, blocats, son constrenchs de prene un circuit exterior, çò que generarà un corrent electric.
Al catòde, los ions idrogèn, los electrons, e del dioxigèn (pur o venet de l'aire) s'encontran per formar d'aiga segon la reaccion: 4H+ + 4e− + O2 = 2H2O. L'aiga e lo dioxigèn passan per la placa bipolara drecha. Aquesta reaccion produirà tanben d calor podent èsser recuperada.
Lo principi es lo mèsme. La sola diferéncia es que la membrana escambiadoira de protons es remplaçada per una autra membrana nomenada "membrana d'oxid solid". Las moleculas dins la pila de combustible van pas alara reagir del mèsme biais:
D'en primièr, l'idrogèn dintra per la placa bipolara a esquèrra sus la figura, e arriba sus l'anòde.
Aquí, l'idrogèn se dissocia: 2H2 = 4H+ + 4e− (fins alara, pas cap de cambiaments).
Los electrons (e-) prenon un circuit exterior, mas los ions H+ (protons), puslèu que de passar la membrana, demoran sus l'electròde.
Après que passèron los dipòls, los electrons rejongan lo catòde cargat en dioxigèn. Ambedoas moleculas van formar un ensems d’anions nomenat ions oxid (O2−) : O2 + 4e− → 2 O2−.
Los ions O2− passant la membrana e se combinan amb los ions H+ per formar d'aiga segon: 4H+ + 2O2− = 2H2+ O2 = 2 H2 °CO
Mas aqueste tipe de pila es pas pus performant que la pila de membrana escambiadoira de protons, foncciona conque a "fòrça nauta" temperatura (600 a Reformed Methanol Fuel Cell) e sa fabricacion costa mai car per de pilas de fèbla poténcia. Son donc utilizadas per d'aplicacions especificas demandant una fòrta poténcia.
Las pilas de combustible d'idrogèn son utilizadas per provesir de prototipes de veituras electricas[13],[14] e de buses electrics[15]. Es tanben previst que de trains per de linhas ferroviàrias non electrifiicadas dintren en servici per 2018 en Allemanha[16].
La produccion d'electricitat
Als EUA, lo departament american de l'energia, DOE, sosten l'espandiement de sistèmas de produccion electrica, que siá per de secors electric, de l'alimentacion de sites o de bastits, o de carris elevators electrics[17].
La cogeneracion
De sistèmas de cogeneracions de pichonas poténcias (minicogeneracion) son desvelopats, per exemple en Euròpa, e son a un estadi de mòstra[18].
Cogeneracion domestica o microcogeneracion: d'aparelhs de caufatge domestics integrant una pila de combustible de 750 W, nomenat ENE-FARM, son comercializats al Japon dempuèi 2009[19].
De fabricants europèus de microcogeneracions amb pila de combustible testan in situ de prototipes precomercials dins 12 païses europèus[20]. En mai de2016 lo projècte de la Commission Europèaene.field e "Pace" a per tòca de desvolopar de pilas de combustible domesticas pels particulars, amb de marcas associadas a aqueste projècte[21].
Las perspectivas
Les pilas de combustible son envisatjadas per alimentar diferents aparelhs nomads, coma de telefons o d'ordinators portables. La viabilitat industriala buta encora contra un rendiment energetic global pro fèble al respècte del fach que cada estapa (sintèsi de l'idrogèn, sacatge del gas, estocatge, vaporizacion, rendiment de las reaccions electroquimicas de la pila, circulacion dels fluids, regulacion termica, mantenéncia, recuperation del platin, etc.) contribuís a un rendiment global encore decebent. Pasmens, en 2009, de cercaires japoneses atenguèron un rendiment de 56 % pendent de centenas d'oras amb una pila de 3 kW[22] (amb en 2017 gaireben 200 000 unitats installadas en ostals individuals). Dins l'encastre del projècte HiPer-FC (High Performance Fuel Cell) lancat per la NEDO en 2008, un Centre de Recerca suls Nanomaterials per las Pilas de Combustible trabalha dempuèi lo 25 d'agost de 2009[23]. Los cercaires (en 2009) son japoneses mas tanben nordamericans, alemands, franceses, coreans e chinés.
Los EUA desvolopan fòrça projèctes sostenguts pel govern, a vegadas presentadas coma una de las solucions majoras contra l'escaufament climatic.
Au Canadà, l'Institut d'Innovacion en Pilas de Combustible del Conselh Nacional de Recercas del Canadà (IIPC-CNRC), foguèt creat en setembre de 2006 sus 6 500 m2, en Colombia britanica (UBC), dons la grapa tecnologica de la region de Vancouver, pilòt dins aqueste domèni.
L'Euròpa se dotèt en 2008 d'un encastre (reglament europèu) pel desvolopament dels veiculs d'idrogèn (coma combustible), mas sosten tanben de projècte de recerca sus las pilas d'idrogèn
En França, l’ADEME, EDF e lo CEA installèron un malhum « Pila a Combustible » (PACo) lo 25 de junh de 1999 pilotat per Catherine Ronge, directrice R&D d’Air liquide et Roger Ballay, director adjonch de la recerca a EDF, coanimat per l’ADEME e lo Comissariat a l’Energia Atomica (CEA).
En 2005, lo malhum francés PACo foguèt remplaçat, pel programa PAN-H (Plan d'action sur l'hydrogène et les piles à combustible, 2005-2008) de l’ANR (Agéncia nacionala de la recerca), seguit del programa HPAC (Idrogèn e pilas de combustible) entre 2009 e 2010. Los diferents axes de recercas dels programas Pan-H e HPAC foguèron posicionats — o de nòu posicionats — en 2010 dins los programas PROGELEC (Production Renouvelable et Gestion de l’Électricité) e TTD (Transport Terrestre Durable) de l'ANR.
Es sonque en 2007, jos l'egidi del Japon, qu'un començament de reflexion sus de nòrmes, règlas e estandards de fabricacion e de seguretat foguè aviada, de biais a facilitar l'usatge generalizat de las pilas de combustible o pilas d'idrogèn.
Unas annadas abans, sus l'initiativa del primièr ministre Koizumi[24], aviá estat possible en un pauc mai de 24 meses de:
revisar los 28 còdis contenguts dins las 6 leis que regissián l’utilizacion de l’idrogèn e de las pilas de combustible dins lo domèni grand public;
definir un programa de lançament de caudièras electrogènas de pila de combustible per Tokyo Gas[25] (subvencionnat per l’Estat); aqueste programa contunha per l'introduccion de la segonda generacion d’equipaments Ene-Farm en 2011[26] ;
garantir als utilizaires novèls detz ans de servici après-venda en escambi d’informacions sul comportament e los rendiments de l’installacion;
equipar los servicis del primièr ministre, lo 3 de decembre de 2002, de dos veiculs idrogèn (FCEV), un fabricat per Toyota, l'autre per Honda[27] ;
installar dins la residéncia del primier ministre, lo 8 d'avril de 2005, una pila de combustible en cogeneracion[28]
Lo Japon espèra atal reduire de 50 % sas emissions de CO2 ligadas a la pichona electronica, propausant mai de batariás que l'autonomia serà multiplicat per tres[29].
L’utilizacion de pilas d'idrogèn dins l’automobila s'apièja sus unes esquèmas:
Tot idrogèn o « full power »: es una pila d'idrogèn que se faguèt variar la poténcia de sortida qu'alimenta dirèctament lo o los motors electrics de propulsion (en anglés FCEV).
Ibrid o « mid range »: La pila d'idrogèn en foncionant dins una plaja estrecha dona d’électricitat qu'es utilizada per lo o los motors o per recargar una batariá de capacitat limitada (en anglés FCHEV).
de perlongator d’autonomia o « range extender »: Una pila pichona d'idrogèn ven recargar la batariá d’un veicul electric assegurant eventualament lo caufatge de l’abitacle. (en anglés EREV)
Sequel voiture. La pila d'idrogèn de 73 kW es alimentada per tres sèrvas de diidrogèn en composit bobinat, de 700 bars (2005).
Chevy Volt: concèpte presentat en genièr de 2007 al salon automobil de Detroit (EUA).
Hydrogen 4 presentat lo 6 de març de 2008 al 78n Salon Internacional de l’Automobila de Genèva (Soïssa). La pila de combustible del GM HydroGen4 se compausa de 440 cellulas connectada en seriá. L’ensemble del sistèma ofrís una poténcia electrica atenhent 93 kW alimentant un motor electric sincròn de 73 kW o 100 ch. Permet a l’HydroGen4 de passar lo zèro a 100 km/h en unas 12 segondas. Lo HydroGen4 dispausa d’un sistèma d'estocatge comprenent treis sèrvas de nauta pression de 700 bars realisats en fibra de carbòni, podent conténer 4,2 kg d'idrogèn. Çò que permet una autonomia de 320 quilomètres[30].
GreenGT:
Los 26 e 28 de junh 2016, la Green GT H2 est la première veitura d'idrogèn a aver fach las 24 Òra delres du Mans.GreenGT H2 : Primièr prototipe de competicion electriquidrogèn, la genèsi de la GreenGT H2 comença en 2009. Es oficialament presentada lo 2 de junh de 2012 per la jornada d'ensags de las 24 Òras del Mans. Lo 27 de junh de 2015, es presentada de biais dinamic pel Campionat del mond FIA de WTCC. A l’invitacion de Michelin, fa una segonda demonstracion, en obertura del primièr Paris ePrix de Formula E, lo 23 d'abril de 2016 es la primièra veitura moguda per un grop motopropulsor electriquidrogèn de realizar un torn du circuit automobil sartés. La poténcia de la GreenGT H2, equipada de dos motors electrics, es de 2 x 200 kW a 1 350 tr/min, o 544 ch.
La H2 Speed : Nascuda a la demanda del carrossièr italian Pininfarina, la H2 Speed es presentada al 86n Salon internacional de l'automobila de Genèva lo 1èr de març de 2016.
Honda FCX Clarity: primièra veitura de seriá, commercializada (en locacion) al Japon e als EUA (Estat de Califòrnia).
Honda CR-X
Hummer:
Hummer O2: Concept-car toterren.
Hyundai:
Tucson FCEV: veitura ibrida. La pila d'idrogèn de 80 kW es alimentada per una botelha de gas bobinada composita.
iX35 FCEV: novèla generacion del Tucson FCEV[31] que poiriá comença a èsser commercializada sus unes territòris especifics dotats d'una infrastructura de remplissatge idrogèn que cal. Hyundai anóncia una autonomia de 564 km[32].
Concept car Ener-G-Force foncionant mercé a una pila de combustible alimentat amb de sèrvas d'aiga montadas sul teulat (presentat al Salon de Los Angeles en 2012).
NECAR et F-Cell'
Tota una familha de veiculs amb diferents tipes de combustible (idrogèn gasós, metanòl…)[33]. Mercedes anóncia la produccion en seriá pel grand public de la classa B F-Cell Idrogèn en 2017[34].
Michelin:
Prototip de veiture Hy-light foncionant amb una pila d'idrogèn (presentacion en març de 2005).
Prototipe de veitura Hy-light 2 foncionant amb una pila de combustible fabricat per Michelin. foguèt presentada en setembre de 2007.
F-City H2, primièra veitura francesa de recebre una omologacion per la rota. Es una collaboracion entre Michelin e FAM Automobilas (devenu depuis France Craft Automobiles).[35]
PSA :
Demonstrateur TAXI PAC pila de combustible alimentada per un rack (intercambiable) de botelhas d'idrogèn jos pression
Démonstrateur H2O Veicul de pompièr amb range-extender de pila de combustible amb generacion in situ de l'idrogèna partir de boro-idrur de sòdi
Démonstrateur QUARK quad de pila de combustible comportant un motor electric dins caduna de las quatre ròdas
Projet GENEPAC (2002-2006) menat en collaboracion amb lo CEA. Pila idrogèn de tipe PEMFC de 80 kW.
Démonstrateur 207 CC Epure comportant la pila de combustible eissida del programa GENEPAC
En 2008 presentacion del prototipe Renault scénic ZEV H2 de pila de combustible[36].
Suzuki (en collaboracion amb General Motors):
Prototipe de veitura Mr Wagon FCW. La pila d'idrogèn es alimentada per de diidrogèn contengut dins de sèrvas de 700 bars.
SymbioFCell:
HyKangoo: sus la basa d’un Kangoo ZE, evolucion en veicul electric amb prolongator d’autonomia, amb una pila de 5 kW e un pichon estocatge d'idrogèn, presentat al Mondial de l’Automobila 2012[37].
Toyota:
Veitura cinc plaças FCHV-4 e bus FCHV-US1. Aquestes programas foguèron presentats pel primièr còp en 2001. An una pila d'idrogèn de 90 kW.
Toyota anóncia en junh de 2009 per 2015 lo desvolopament de veituras electricas entièrament fondadas sus las pilas de combustion en vente[38]. En junh de 2014, Toyota confirma la commercializacion al Japon en abril de 2015 de sa primièra berlina de pila de combustible, la Mirai, a un prètz plan mai bas qu'aqueste previst pel observaires; serà tanben prepauzada en 2015 als EUA e unes païses europèus equipats d'estacions de recarga coma la Suècia[39].
Venturi Automobiles:
La Venturi Buckeye Bullet 2 pasa lo recòrd de velocitat FIA per un veicul electric alimentat per una pila de combustible: 487 km/h[40]. Es lo primièr veicul electric a passar la barra simbolica dels 300 mph (mai de 480 km/h).
Hydrogen Flying Tour: lo 6 d'agost de 2009, 100 ans après l'expleit de Blériot, un ultra leugièr motorizat d'idrogèn travèrsa la Marga; concebur per Gérard Thévenot[41].
↑ex : Modèl:Lien de Dupont de Nemours, pour le PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell, pile à combustible à membrane échangeuse de protons), ces piles utilisées dans l'Espace
↑Cf. projet « Intégration d’une pile à combustible dans une chaîne de valorisation de déchets (VALORPAC) » soutenu par l’ADEME, avec l'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN), les sociétés S3D, Syngas et Fiaxell (de Lausanne)
↑Centre initié en 2008 par la NEDO, le METI et le département de Yamanashi. Il est basé sur le campus de Kofu de l'Université de Yamanashi, piloté par le Modèl:Pr. Masahiro WATANABE
Benjamin Blunier et Abdellatif Miraoui, 20 Questions sur la pile à combustible, Éditions TECHNIP, 2009 ISBN: 978-2710809241, 130 pages
Benjamin Blunier et Abdellatif Miraoui, Piles à combustible, Principes, modélisation, applications avec exercices et problèmes corrigés, Ellipses, Technosup, 2007 ISBN: 978-2-7298-3107-3, 192 pages
Méziane Boudellal, La pile à combustible, Dunod, Technique et ingénierie, 2007 ISBN: 978-2-1005-0112-0, 304 pages
