O celulă de combustibil este o celulă în care generarea unei tensiuni electrice are loc în urma oxidării pe un electrod al unui combustibil reducător (de exemplu dihidrogen ) cuplat cu reducerea pe celălalt electrod al unui oxidant , cum ar fi oxigenul din aerul .
De celule de combustibil Efectul a fost descoperit de către german Christian Schönbein în 1839 . Primul model de laborator cu pilă de combustibil a fost produs de William R. Grove în următorii trei ani. În 1889, Ludwig Mond și Carl Langer au dat celulei de combustibil numele și forma actuală. Francis T. Bacon a reluat studiile celulei de combustibil în 1932 și a produs un prim prototip de 1 kW în 1953, apoi de 5 kW în 1959. Acest prototip va servi ca model pentru viitoarele celule de combustibil utilizate în timpul misiunilor spațiale Apollo .
Diferența de timp foarte lungă (mai mult de un secol) care a trecut între realizarea primului model de celulă de combustibil și primele utilizări se explică prin dezvoltarea foarte puternică experimentată de alte tipuri de generatoare de celule de combustibil.energia electrică și faptul că costul materialelor utilizate în celula de combustibil este încă în prezent ridicat.
O celulă de combustibil este un generator în care producția de energie electrică se face prin oxidarea pe un electrod al unui combustibil reducător (de exemplu dihidrogen ) cuplat cu reducerea pe celălalt electrod al unui oxidant, cum ar fi oxigenul din aer. Oxidarea hidrogenului Reacția este accelerată printr - un catalizator , care este , în general platină . Dacă sunt posibile alte combinații, bateria cea mai frecvent studiată și utilizată este celula de combustibil cu hidrogen - dioxigen sau hidrogen-aer (acest lucru se explică în special prin abundența resurselor de hidrogen pe Pământ și ușurința producerii de hidrogen).
Din 1977, unele baterii (utilizate pe sateliți) conțin membrane polimerice (acid solid sau electrolit alcalin) făcute conductoare, luând forma unei membrane subțiri care separă cei doi electrozi. Acești polimeri conțin platină . Deoarece este un metal rar, poluant și scump, căutăm, prin urmare, alternative; de testare, de exemplu , în China, un polimer ( polisulfonă sau polisulfonă cu amoniu cuaternar ) , cu un catod (partea de oxigen) , în argint și un anod (partea hidrogen) în nichel placat cu crom .
În 2010, cercetătorii americani și cercetătorii germani au propus integrarea unui catalizator suplimentar, mai puțin costisitor și care ar putea reduce la jumătate cantitatea de platină din celulele de combustie Nature Chemistry ; acestea sunt nanosfere construite cu atomi de platină și cupru , din care particulele de cupru sunt apoi parțial extrase, lăsând un fel de nano-coajă de platină cu câțiva atomi groși. Metoda de producere a acestor nanosfere este de așa natură încât le scade capacitatea de legare a oxigenului, ceea ce favorizează formarea apei făcând celula mai productivă. Potrivit acestei echipe, acest lucru ar putea reduce prețul celulelor de combustibil cu 80%. Acest proces ar putea fi aplicat altor metale pentru a produce alte tipuri de catalizatori care pot, de exemplu, să permită producerea de hidrogen și oxigen din apă ca stocare chimică a energiei electrice produse de turbine eoliene sau turbine. de electricitate.
În 2012, compania israeliană CellEra a declarat că a proiectat o celulă de combustibil cu membrană care nu folosește platină, folosind un electrolit polimeric solid care conduce ionii de hidroxid (HO - ) într-un mediu alcalin. Această companie a depus zece brevete legate de această tehnică.
Funcționarea unei celule de hidrogen - dioxigen este deosebit de curată, deoarece produce numai apă și consumă numai gaze . Dar până în 2010, fabricarea acestor baterii a fost foarte costisitoare, în special din cauza cantității semnificative de platină necesare și a costului ionilor de membrană de schimb .
O parte din provocarea utilizării acestuia ca purtător de energie este sinteza, stocarea și furnizarea hidrogenului. În timp ce hidrogenul este abundent pe Pământ, este aproape întotdeauna combinat cu oxigen (H 2 OAdică apă), sulf ( hidrogen sulfurat , H 2 S), carbon ( gaz natural sau petrol ) etc.
Eficiența generală, care reprezintă raportul dintre cantitatea de energie electrică produsă de celula de combustibil cu hidrogen și cantitatea de energie electrică consumată în electroliză pentru a sintetiza hidrogenul, este destul de mică.
Un grup electrogen permite o eficiență de 25%, iar o celulă de combustibil cu hidrogen poate atinge 50 până la 60% din eficiența electrică sau mai mult dacă este nevoie de căldură de recuperare, dar randamentele cumulate ale energiei din sinteza dihidrogenului și compresia sau lichefierea sunt încă destul de scăzute. Aici, hidrogenul nu este o sursă primară de energie; este un vector de energie .
Rentabilitatea unui automobil ar fi de 35%. Potrivit Agenției pentru Managementul Mediului și Energiei , eficiența globală a lanțului electricitate-hidrogen-electricitate este de aproximativ 25%.
Principiul celulei de combustibil este inversul electrolizei . Reacția chimică produsă prin oxidare și întâlnirea gazelor produce electricitate, apă și căldură. Funcționarea celulei de combustibil necesită o alimentare cu combustibil, cel mai utilizat fiind hidrogen. O celulă cu combustibil produce o tensiune electrică de aproximativ 0,7 până la 0,8 V , în funcție de sarcină ( densitatea curentului ) și produce căldură. Temperatura lor de funcționare variază de la 60 la 1050 ° C, în funcție de model. Apa este descărcată în general sub formă de vapori cu excesul de oxigen.
Există mai multe tipuri de celule de combustibil, dintre care cele mai faimoase sunt:
O celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni cuprinde:
Hidrogen sub formă diatomică (dihidrogen H 2) intră prin placa bipolară din stânga din figură.
Ajuns la anod, se disociază în ioni (H + ) și electroni (e - ) conform ecuației 2 H 2= 4 H + + 4 e - . Ionii traversează apoi membrana, dar electronii, blocați, sunt forțați să ia un circuit extern, care va genera un curent electric.
La catod, ionii de hidrogen, electronii și oxigenul (pur sau din aer) se întâlnesc pentru a forma apă în conformitate cu reacția: 4 H + + 4 e - + O 2= 2 H 2 O. Apa și oxigenul trec prin placa bipolară dreaptă. Această reacție produce, de asemenea, căldură care poate fi recuperată.
Celula de oxid solidPrincipiul este similar. Singura diferență este că membrana schimbătoare de protoni este înlocuită de o altă membrană numită „membrană solidă de oxid”. Moleculele din celula de combustibil nu vor reacționa în același mod:
Dar acest tip de celulă nu este mai eficient decât celula cu membrană de schimb de protoni, funcționează doar la temperaturi foarte ridicate (în jur de 600 până la 800 ° C ) și fabricarea sa este mai scumpă pentru celulele cu putere redusă. Prin urmare, acestea sunt rezervate pentru aplicații specifice care necesită o putere mare.
Există două tipuri de pile de combustibil cu metanol:
Spre deosebire de bateriile care utilizează hidrogen, acestea pot fi „curate” numai dacă originea acestui metanol este ea însăși de origine regenerabilă, deoarece emit CO 2.și chiar CO .
Tip | Electrolit | Ionii implementați | Gaz / lichid la anod | Gaz catodic | Putere | Funcționarea temperaturii |
Eficiența electrică |
Maturitate | Camp |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
AFC - Alcalin | Hidroxid de potasiu | HO - | hidrogen | oxigen | 10 la 100 kW | 60 până la 90 ° C | Numai baterie: 60-70% Sistem: 62% |
Comercializat / Dezvoltare | Portabil, transport |
DBFC - Hidrură de bor directă | Membrana protonică
Membrana anionică |
H + HO - |
NaBH 4 lichid | oxigen | 250 mW / cm 2 | 20 până la 80 ° C | 50% o singură celulă | Dezvoltare | portabil <20 W |
PEMFC - membrană schimbătoare de protoni | Membrane polimerice Nafion-PBI | H + | hidrogen | oxigen | 0,1 până la 500 kW | 60 până la 220 ° C | Baterie: 50-70% Sistem: 30-50% |
Comercializat / Dezvoltare | portabil, de transport, staționar |
DMFC - metanol direct | Membrana polimerică | H + | metanol | oxigen | mW la 100 kW | 90 până la 120 ° C | Baterie: 20-30% | Comercializat / Dezvoltare | transport, staționar |
DEFC - etanol direct | 90 până la 120 ° C | Dezvoltare | |||||||
FAFC - acid formic | 90 până la 120 ° C | Dezvoltare | |||||||
PAFC - acid fosforic | Acid fosforic | H + | hidrogen | oxigen | până la 10 MW | aproximativ 200 ° C | Baterie: 55% Sistem: 40% |
Dezvoltare | transport, staționar |
MCFC - carbonat topit | Carbonat de metal alcalin | CO 32− | hidrogen , metan , gaz de sinteză | oxigen | până la 100 MW | aproximativ 650 ° C | Baterie: 55% Sistem: 47% |
Dezvoltare / Marketing | staționar |
PCFC - ceramică protonantă | 700 ° C | Dezvoltare | |||||||
SOFC - oxid solid | Ceramică | O 2− | hidrogen , metan , gaz de sinteză | oxigen | până la 100 MW | 800 până la 1050 ° C | Baterie: 60-65% Sistem: 55-60% |
Dezvoltare | staționar |
Principalele domenii de aplicare sunt:
În 2017, la Forumul Economic Mondial de la Davos, a fost creat Consiliul hidrogenului (în) , o întreprindere mondială lider în inițiativa sectorului energetic, a transporturilor și a industriei pentru a dezvolta economia hidrogenului și a celulelor de combustibil.
Statele Unite ale Americii este în curs de dezvoltare numeroase proiecte susținute de guvern, uneori prezentate ca fiind una dintre soluțiile majore împotriva încălzirii globale .
CanadaÎn Canada , a fost înființat Institutul Național de Inovare a Pilelor de Combustibil (NRC-IIPC) al Consiliului Național de Cercetare din CanadaSeptembrie 2006peste 6.500 m 2 , în Columbia Britanică (UBC), în clusterul tehnologic din regiunea Vancouver, un pilot în această zonă. Acesta își propune să dezvolte industria hidrogenului și a pilelor de combustibil din Canada. Este o demonstrație, precum și o platformă de cercetare, care găzduiește, de asemenea, Vancouver Fuel Cell Vehicle Program, precum și British Columbia Hydrogen Highway Project, susținut de laboratoare dedicate.aprovizionarea cu hidrogen și tehnici integrate de pilă de combustibil. Situl are pompe geotermale și mijloace fotovoltaice pentru producerea hidrogenului.
EuropaÎn 2008, Europa a adoptat un cadru (reglementare europeană) pentru dezvoltarea vehiculelor cu hidrogen (ca combustibil), dar sprijină și proiectele de cercetare privind celulele cu hidrogen.
FranţaÎn Franța , ADEME , EDF și CEA au instalat o rețea „Fuel Cell” (PACo)25 iunie 1999condus de Catherine Ronge, director R&D Air Liquide și Roger Ballay, director adjunct de cercetare la EDF, co-condus de ADEME și Comisia pentru energie atomică ( CEA ). Misiunile acestei rețele au fost de a accelera cercetarea asupra celulei de combustibil prin identificarea obstacolelor tehnologice, de a conduce comunitatea științifică în jurul unui centru de expertiză susceptibil de a promova și disemina progresele cercetării, de a dezvolta parteneriate. Sectorul public-privat și o reflecție de perspectivă asupra dezvoltării acestor tehnici.
În 2005, rețeaua franceză PACo a fost înlocuită de programul PAN-H (Plan de acțiune privind hidrogenul și pilele de combustibil, 2005-2008) al ANR ( Agenția Națională de Cercetare ), urmat de programul HPAC (Hidrogen și pilele de combustibil) între 2009 și 2010. Diferitele axe de cercetare ale programelor Pan-H și HPAC au fost poziționate - sau repoziționate - în 2010 în programele PROGELEC (producția regenerabilă și gestionarea energiei electrice) și TTD (Transportul terestru durabil) al ANR.
În nordul Franței, laboratorul de nanotehnologii al Institutului de Electronică, Microelectronică și Nanotehnologie a desfășurat înMai 2009o celulă de combustibil foarte mică (5 × 3,6 mm ).
În Martinica , a fost inaugurat un sistem de celule de combustibil cu hidrogen numit Cleargen5 decembrie 2019de Société anonyme de la raffinerie des Antilles (SARA). Bateria, furnizată de Hydrogen de France (HDF), folosește procesul de electroliză inversă a apei pentru a produce electricitate din hidrogen și oxigen; va folosi excesul de hidrogen produs de rafinărie pentru a furniza rețeaua electrică a insulei, la cerere, cu o putere de un megawatt, care poate furniza în jur de 2.000 de locuințe.
JaponiaAbia în 2007 , sub egida Japoniei , a fost inițiată o reflecție asupra normelor, regulilor și standardelor de fabricație și siguranță, pentru a facilita utilizarea pe scară largă a pilelor de combustibil sau a pilelor de combustibil cu hidrogen.
Într-adevăr, cu câțiva ani mai devreme, la inițiativa prim-ministrului Koizumi , a fost posibil în puțin peste 24 de luni să:
Japonia speră astfel să-și reducă emisiile de dioxid de carbon legate de electronice mici cu 50% , oferind și baterii a căror autonomie ar fi multiplicată cu trei.
Utilizarea celulelor de combustibil cu hidrogen în automobile se bazează pe mai multe scheme:
Primul model este Sequel. Celula de combustibil cu hidrogen de 73 kW este furnizată de trei rezervoare de hidrogen compozite înfășurate, 700 bar (2005). Al doilea este Chevy Volt: concept prezentat înianuarie 2007la Salonul Auto de la Detroit (Statele Unite). Al treilea model este Hydrogen 4 prezentat pe6 martie 2008cel de-al 78- lea Salon Internațional de la Geneva (Elveția) Celula de combustibil GM HydroGen4 este formată din 440 de celule conectate în serie. Întregul sistem oferă o putere electrică de până la 93 kW alimentând un motor electric sincron de 73 kW sau 100 CP . Permite HydroGen4 să treacă de la zero la 100 km / h în aproximativ 12 secunde. HydroGen4 are un sistem de stocare care cuprinde trei rezervoare de înaltă presiune de 700 bari din fibră de carbon, care pot conține 4,2 kg de hidrogen. Aceasta permite o autonomie de până la 320 km .
BMWExemple de modele produse: prototipul i8 din 2015 (bateria Toyota Mirai), prototipul i Hydrogen NEXT dezvoltat pe baza unui X5 și prezentat la Salonul Auto de la Frankfurt din 2019 . În comunicatul său de presă care prezintă prototipul, BMW anunță că acest prototip prefigurează de fapt o serie mică care va fi prezentată până în 2022, astfel încât, cel mai devreme, în 2025, alte vehicule vor fi oferite, după cum este necesar, pe piață și situația generală.
Mercedes-BenzConceptul de mașină Ener-G-Force alimentat de o celulă de combustibil alimentată cu rezervoare de apă montate pe acoperiș a fost prezentat la spectacolul de la Los Angeles în 2012. A fost construit NECAR și F-Cell: toate o familie de vehicule cu diferite tipuri de combustibil (hidrogen gazos, metanol etc. ). Până în prezent (2010), Daimler a construit cel mai mare număr de vehicule folosind o celulă de combustibil (peste o sută). Mercedes a anunțat producția de masă pentru publicul larg al hidrogenului cu celule F din clasa B în 2017.
CiocanHummer O2 este un concept de masina toate tipurile de teren.
Prototipuri CityjouleAceasta este o mașină experimentală de la Universitatea din Nantes al cărei coeficient de rezistență C x este anunțat la 0,11 în 2013.
GreenGTGreenGT H2 este primul prototip al competiției electrice-hidrogen, geneza GreenGT H2 începe în 2009. Acesta este prezentat oficial pe2 iunie 2012ca parte a celei de-a 24-a ore de antrenament de la Le Mans . Apoi nu se rostogolește și primește o livră neagră și portocalie. 27 iunie 2015, face obiectul unei prime prezentări publice dinamice pe circuitul Paul-Ricard ca parte a rundei franceze a Cupei Mondiale pentru turism . Având o nouă livrare albastru deschis și alb, acesta a fost condus apoi de Olivier Panis , fost pilot de Formula 1 și câștigător al Marelui Premiu Monaco de la Ligier-Mugen-Honda din 1996 . La invitația Michelin , ea a dat o a doua demonstrație, la deschiderea primei Formula E Paris ePrix ,23 aprilie 2016. 26 iuniela sfârșitul zilei, în timpul celor 24 de ore de la Le Mans 2016 și încă condus de Olivier Panis, devine prima mașină propulsată de un propulsor electric cu hidrogen care finalizează un tur al circuitului motor Sarthois. Două zile mai târziu,28 iunie, H2 și pilotul său își repetă demonstrația chiar înainte de începerea cursei. Puterea GreenGT H2 , echipată cu două motoare electrice, este de 2 × 200 kW la 1350 rpm , sau 544 CP
H2 Speed sa născut la solicitarea coachbuilder italian Pininfarina , H2 Viteza este prezentat la 86 - lea Expoziția Internațională de la Geneva Motor pe1 st martie 2016. Este dezvăluit în comun de Jean-François Weber (co-fondator, acționar și director de cercetare și dezvoltare GreenGT), Fabio Filippini (director de stil Pininfarina), Silvio Angori (președinte și CEO al Pininfarina) și Paolo Pininfarina (președinte al Grupul Pininfarina). Cu această ocazie, revista americană Autoweek , în ediția sa de21 martie 2016, i-a acordat Premiul pentru cel mai bun concept , un premiu care recompensează în fiecare an pentru cea mai frumoasă mașină concept de la spectacol, desemnând-o drept „cea mai rapidă mașină cu emisii zero din toate timpurile” . Rivalii săi au fost Sbarro Prom, Italdesign GTZERO și Morgan EV3. 30 martie 2016, H2 Speed este prezentat, la cererea sa, lui Albert II, prințul Monaco , atent la tehnologiile de dezvoltare durabilă. La sfârșitul acestei prezentări, un costum de pilot în culorile GreenGT este dat suveranului Monaco. Este brodat cu numele său ca o invitație de a veni și de a încerca H2 Speed . 21 și22 mai, ea participă la competiția de eleganță a Vila d'Este din Cernobbio, în Italia , apoi, de la 8 până la12 iunie 2016, la Salonul Auto de la Torino . H2 Viteza a fost apoi prezentat de două ori de Michelin, partener de anvelope de GreenGT, cu ocazia evenimentelor auto internaționale, prima dată în Franța , în timpul de 24 de ore de la Le Mans 2016, de la 15 la19 iunie, și al doilea în Marea Britanie, la Goodwood Festival of Speed o săptămână mai târziu.
SuzukiÎn colaborare cu General Motors, a construit prototipul de mașină Mr Wagon FCW . Celula de combustibil cu hidrogen este alimentată cu hidrogen conținut în rezervoare la 700 de bari.
MichelinA fost prezentat un prototip de mașină Hy-light alimentată de o celulă de combustibil cu hidrogenMartie 2005. Celula este alimentată de hidrogen de la trei cilindri compuși de înaltă presiune,
De asemenea, producătorul a construit un prototip de mașină Hy-light 2 care rulează pe o celulă de combustibil. A fost prezentat înseptembrie 2007. Comparativ cu HY-lumina, 2 - lea generație are baterii și supercapacitors,
F-City H2 este prima mașină franceză care primește omologare rutieră de la autoritățile franceze. Acest vehicul este rezultatul colaborării dintre Michelin și FAM Automobiles (care a devenit de atunci France Craft Automobiles). Pentru aceasta, Michelin a proiectat un pachet de celule de combustibil cu hidrogen compact, dar complet, inclusiv rezervorul de hidrogen de 350 de bari care înlocuiește compartimentul pentru baterii al versiunii electrice a lui F-City.
PSAProducătorul a construit un demonstrant TAXI PAC, o celulă de combustibil alimentat de un (interschimbabil) bare de cilindri de hidrogen sub presiune, un manifestant H2O, un motor de incendiu cu o celulă de combustibil telemetrare extender cu situ în hidrogen generație. Folosind tetrahydruroborate de sodiu , un QUARK demonstrator, un quad cu celule de combustibil cuprinzând un motor electric în fiecare dintre cele patru roți, un demonstrator 207 CC Epure cuprinzând celula de combustibil rezultată din programul GENEPAC. PSA a colaborat la proiectul GENEPAC (2002-2006) cu CEA pentru o celulă de combustibil cu hidrogen tip PEMFC de 80 kW ,
Renault- NissanÎn 2008, producătorul a prezentat prototipul celulei de combustibil Renault Scénic ZEV H2.
VenturiVenturi Buckeye Bullet 2 pauze FIA recordul de viteză pentru un vehicul electric alimentat de o celulă de combustibil: 487 km / h . Acesta este primul vehicul electric să traverseze simbolic 300 mph (peste la 480 kilometri De / h ) barieră .
SymbioFCellHyKangoo este construit pe baza unui Kangoo ZE cu o evoluție într-un vehicul electric cu un range extender, cu o baterie de 5 kW și un mic depozit de hidrogen, prezentat la Salonul Auto de la Paris 2012. Vehicul expus la Solvay de Tavaux site .
Mașini de producție VadModelul produs este Focus FCV.
HondaHonda FCX Clarity este prima mașină de producție, comercializate (închiriate) în Japonia și Statele Unite ale Americii (statul California). Este un vehicul cu cinci locuri, echipat cu un rezervor cu o presiune de 350 bari.
Honda a produs și Honda CR-X.
HyundaiTucson FCEV este o mașină hibridă. Celula de combustibil cu hidrogen de 80 kW este alimentată de un cilindru compozit cu gaz înfășurat.
IX35 FCEV este o nouă generație a Tucson FCEV care ar putea începe să fie comercializată în câteva teritorii specifice, cu o infrastructură adecvată de umplere a hidrogenului. Hyundai anunță o autonomie de 564 km, iar prețul unui rezervor plin ar fi în jur de 56 de euro. Un parteneriat tehnologic a fost anunțat îniunie 2018cu Audi (o filială a Volkswagen , știind că Germania a lansat un program care vizează 400 de stații de distribuție a hidrogenului înainte de 2023. În Franța, în 2018, o flotă de taxiuri Hype rulează pe hidrogen (inclusiv 60 de modele Hyundai).
Nikola Motor Company3 mai 2018, Anheuser-Busch a emis un ordin de cumpărare pentru până la 800 de camioane pentru livrarea berii către Statele Unite.
ToyotaProducătorul a produs o mașină cu cinci locuri FCHV-4 și un autobuz FCHV-US1. Aceste programe au fost prezentate pentru prima dată în 2001. Acestea au o celulă de combustibil cu hidrogen de 90 kW . Toyota anunță înIunie 2009pentru 2015 dezvoltarea mașinilor electrice bazate în întregime pe celule de ardere puse în vânzare (spre deosebire de astăzi, unde mașinile electrice sunt închiriate). Îniunie 2014, Toyota confirmă comercializarea în Japonia de către aprilie 2015prima sa berlină cu pilă de combustibil, Mirai , la un preț mult mai mic decât se așteptau observatorii; va fi oferit și în vara anului 2015 în Statele Unite și în unele țări europene dotate cu stații de încărcare, cum ar fi Suedia; Toyota speră să vândă zeci de mii de astfel de mașini pe an în următorul deceniu. Toyota Mirai a fost lansat în 2014.