Comment fonctionne la pile à combustible

Explorez le développement de la pile à combustible et étudiez les différents systèmes.

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui combine l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’électricité, de la chaleur et de l’eau.

La pile à combustible est similaire à une batterie en ce qu’une réaction électrochimique se produit tant que le carburant est disponible. L’hydrogène est stocké dans un récipient sous pression et l’oxygène est extrait de l’air.

En raison de l’absence de combustion, il n’y a pas d’émissions nocives et le seul sous-produit est l’eau pure. L’eau émise par la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est si pure que les visiteurs du Ballard Power Systems de Vancouver ont reçu du thé chaud fabriqué à partir de cette eau propre.

Fondamentalement, une pile à combustible procède à une électrolyse à l’envers, à l’aide de deux électrodes séparées par un électrolyte. L’anode (électrode négative) reçoit de l’hydrogène et la cathode (électrode positive) recueille l’oxygène. Un catalyseur à l’anode sépare l’hydrogène en ions hydrogène et électrons chargés positivement. L’hydrogène est ionisé et migre à travers l’électrolyte vers le compartiment cathodique, où il se combine avec l’oxygène. Une seule pile à combustible produit 0,6 à 0,8 V sous charge. Pour obtenir des tensions plus élevées, plusieurs cellules sont connectées en série.

Concept d’une pile à combustible

L’anode (électrode négative) reçoit l’hydrogène et la cathode (électrode positive) recueille l’oxygène.

La technologie des piles à combustible est deux fois plus efficace que la combustion pour transformer le carburant carboné en énergie. L’hydrogène, l’élément chimique le plus simple (un proton et un électron), est abondant et exceptionnellement propre comme carburant.

L’hydrogène représente 90 per cent de l’univers et est le troisième élément le plus abondant à la surface de la Terre. Une telle richesse en carburant fournirait un pool presque illimité d’énergie propre à un coût relativement faible. Mais il y a un problème.

Avec la plupart des carburants, l’hydrogène est lié à d’autres substances et libérer le gaz prend de l’énergie. En termes de valeur calorifique nette, l’hydrogène est plus coûteux à produire que l’essence. Certains disent que l’hydrogène est presque neutre en énergie, ce qui signifie qu’il faut autant d’énergie à produire qu’il en livre à la destination finale.

Le stockage de l’hydrogène pose un autre inconvénient. L’hydrogène sous pression nécessite des réservoirs en acier lourd et le VCN en volume est environ 24 fois inférieur à celui d’un produit pétrolier liquide. Sous forme liquide, beaucoup plus dense, l’hydrogène nécessite une isolation importante pour l’entreposage frigorifique.

L’hydrogène peut également être produit avec un reformeur par extraction à partir d’un carburant existant, tel que le méthanol, le propane, le butane ou le gaz naturel. La conversion de combustibles fossiles en hydrogène pur libère des restes de carbone, mais c’est moins nocif que ce qui provient du tuyau d’échappement d’une voiture.

Porter un reformateur ajouterait du poids au véhicule et augmenterait son coût; les réformateurs sont également léthargiques. L’avantage net de la conversion de l’hydrogène est en question car elle ne résout pas le problème énergétique.

L’histoire

Sir William Grove, juge gallois et gentleman scientifique, a développé le concept de pile à combustible en 1839, mais l’invention n’a jamais décollé.

C’était lors du développement du moteur à combustion interne que cela a montré des résultats prometteurs. Ce n’est que dans les années 1960 que la pile à combustible a été mise en pratique pendant le programme spatial Gemini.

La NASA a préféré cette source d’énergie propre à l’énergie nucléaire ou solaire. Le système de pile à combustible alcalin qui a été choisi produit de l’électricité et produit de l’eau potable pour les astronautes.

Les coûts élevés des matériaux ont rendu la pile à combustible prohibitive pour une utilisation commerciale. Le noyau de pile à combustible est coûteux et a une durée de vie limitée. Brûler du carburant fossile dans un moteur à combustion est le moyen le plus simple et le plus efficace de capter l’énergie, mais il pollue.

Le coût élevé n’a pas découragé le regretté Karl Kordesch, le co-inventeur de la pile alcaline, de convertir sa voiture en pile à combustible alcaline au début des années 1970. Il a monté le réservoir d’hydrogène sur le toit et placé la pile à combustible et les batteries de secours dans le coffre.

Selon Kordesch, il y avait assez de place pour quatre personnes et un chien. Il a conduit sa voiture pendant de nombreuses années dans l’Ohio, aux États-Unis, mais le seul problème était que la voiture n’avait pas passé les inspections parce qu’elle n’avait pas de tuyau d’échappement.

Voici les concepts de pile à combustible les plus courants.

Pile à combustible à membrane échangeuse de protons

La membrane échangeuse de protons utilise un électrolyte polymère. C’est l’un des systèmes de piles à combustible les plus développés et les plus couramment utilisés; il alimente les voitures, sert de source d’alimentation portable et fournit une alimentation de secours au lieu de batteries stationnaires dans les bureaux.

Ce système permet une conception compacte et atteint un rapport énergie/poids élevé. Un autre avantage est un démarrage relativement rapide lors de l’application d’hydrogène. La cheminée fonctionne à une température modérée de 80 degres et est efficace à 50 pourcent.

Sur le plan négatif, la pile à combustible a des coûts de fabrication élevés et un système de gestion de l’eau complexe. La pile contient de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’eau, et si elle est sèche, de l’eau doit être ajoutée pour démarrer le système; trop d’eau provoque des inondations.

La cheminée nécessite de l’hydrogène de qualité chimique; des qualités de carburant inférieures peuvent provoquer la décomposition et le colmatage de la membrane. Tester et réparer une pile est difficile, étant donné qu’une pile de 150 V nécessite 250 cellules.

L’eau gelée peut endommager la cheminée et des éléments chauffants peuvent être ajoutés pour empêcher la formation de glace. Le démarrage est lent à froid et les performances sont médiocres au début. Une chaleur excessive peut également causer des dommages. Le contrôle des températures et l’apport d’oxygène nécessitent des compresseurs, des pompes et d’autres accessoires qui consomment environ 30 pourcent de l’énergie produite.

Exploitant une pile à combustible dans un véhicule, la pile a une durée de vie estimée entre 2000 et 4000 heures. Le mouillage et le séchage causés par la conduite sur de courtes distances contribuent au stress de la membrane. Fonctionnant en continu, la pile stationnaire est bonne pendant environ 40 000 heures. La pile ne meurt pas soudainement mais s’estompe comme une batterie. Le remplacement de la pile est une dépense importante.

Les batteries, c’etait hier: une voiture de sport électrique avance sur le méthanol

La supercar exclusive Nathalie n’aura pas besoin d’être rechargée, juste ravitaillée.
Elle doit avoir une autonomie de 820 kilomètres et peut atteindre une vitesse de pointe de 296 kmph.

À une époque où les batteries propulsent le monde de l’automobile vers la mobilité électrique, les constructeurs de voitures de sport ne veulent guère être laissés pour compte et beaucoup ont présenté leurs offres sensationnelles avec des cœurs lithium-ion. Cependant, Nathalie de Gumpert Aiways, une bête alimentée au méthanol qui est aussi rapide que n’importe quelle autre supercar, trace une nouvelle voie courageuse pour elle-même.

Roland Gumpert est ingénieur et développeur d’automobiles pionnières. Il était président d’Audi Sport, où il a développé la transmission intégrale du véhicule de rallye Audi Quattro jusqu’à ce qu’il fonde sa propre entreprise en 2001 (appelée Gumpert) pour produire une supercar nommée Gumpert Apollo.

Depuis, il a développé la Roland Gumpert Nathalie, la toute première super voiture de sport à pile à combustible au méthanol, homologuée pour la route. C’est l’une des voitures de sport les plus rapides disponibles sur route normale et électrique!

Le PDG Roland Gumpert a déclaré:

C’était mon idée d’une voiture électrique qui ne s’arrêterait pas lorsque la batterie était vide. Aujourd’hui, nous présentons le premier véhicule de série au monde avec une pile à combustible au méthanol indépendante des stations de recharge ou des stations de remplissage spéciales d’hydrogène.

La Nathalie a l’air douce à première vue, mais elle présente plusieurs caractéristiques frappantes lorsque vous regardez de plus près, telles que les portes en ciseaux que Lamborghini a rendues célèbres, des panneaux faits de matériaux biologiques légers comme le lin mélangé à des composites de carbone, et une cage de sécurité FIA complète derrière les sièges de la cabine.

Le châssis est construit en acier au chrome-molybdène, offrant une sécurité égale à celle d’un véhicule de course professionnel.

Le développement ultérieur de la voiture d’exposition à la production en série donne au designer l’opportunité de remettre en question sa propre création, de développer des éléments uniques et importants et d’harmoniser l’esthétique de l’ensemble du design.

Lors de l’élaboration du design de série de la Nathalie, les contraintes techniques ont permis d’affiner les proportions du véhicule et d’affiner l’avant et les lignes de côté. Le véhicule a grandi exactement aux bons endroits. Un jeu parfait de design et de technologie.

Selon un rapport dans Car and Driver, la Nathalie élimine le besoin d’alimenter une batterie lithium-ion en utilisant une pile à combustible au méthanol qui produit de l’hydrogène. Ceci est converti en énergie électrique pour propulser la voiture vers l’avant.

Citant Gumpert Aiways, le rapport indique en outre que, bien qu’il y ait une batterie à l’intérieur de la voiture, c’est principalement pour cette explosion supplémentaire de puissance et ne sera pas nécessaire lors de la conduite dans les limites de la ville ou sur les autoroutes.

Nathalie, avec ses deux sources d’énergie, revendique 536 chevaux et peut passer de zéro à 100 km/h en 2,5 secondes, à vous couper le souffle. La puissance est transmise à chacune des quatre roues qui ont leurs propres moteurs dédiés.

Seuls 500 exemplaires de Nathalie seront fabriqués dans un premier temps. La plus grande pierre d’achoppement pour la voiture est peut-être le manque de stations de ravitaillement en méthanol, mais Gumpert Aiways a l’intention d’ouvrir de telles pompes dans les pays où la voiture sera vendue – Allemagne, Suisse, Pologne, Scandinavie, entre autres.

La nouvelle Nathalie est une super voiture de sport électrique sans compromis.

C’est l’une des voitures de sport les plus rapides et les plus dynamiques que vous puissiez conduire avec une plaque d’immatriculation sur une route normale.

La Nathalie est l’incarnation de la liberté – liberté écologique sans entrave – d’un mouvement illimité, insouciant, d’une vitesse consciencieuse. C’est ce que nous aimerions avoir lorsque nous imaginons l’avenir. Et avec son concept d’énergie 2Way, il est plus polyvalent et variable que presque tout ce qui l’a précédé.

Un coupé avec des gènes de course, un cadre de calandre, un châssis en carbone, une transmission intégrale, un générateur de vortex, un diffuseur arrière et un aileron arrière – prêt pour le plaisir sur le circuit

Avec une sensation de rallye sur la piste de montagne, de croisière silencieuse dans le centre-ville ou tout simplement pour s’exhiber sur l’autoroute, la super voiture de sport électrique homologuée pour la route a des performances extraordiniares!

Des scientifiques chinois créent une nouvelle batterie au méthanol

drone chinoisDes scientifiques chinois ont créé une batterie au méthanol qui change la donne et qui maintient un drone en l’air pendant 12 heures.

Les développeurs de FY-36 affirment avoir surmonté des tonnes de problèmes pour créer une batterie à alcool qui permet à un drone de 15 kg de voler pendant jusqu’à 12 heures. Avec 15 vols d’essai à son actif, une équipe chinoise réalise un vol au méthanol avec une compagnie allemande.

Les scientifiques travaillant sur un programme de développement de drones ont créé un système d’alimentation au méthanol révolutionnaire qui a maintenu leur drone en l’air pendant 12 heures.

Il leur a fallu plus de deux ans pour amener le véhicule aérien sans pilote FY-36 au stade du prototype volant, a déclaré Zhang Wenyu, directeur général de Feye UAV Technology, un fabricant de drones basé à Tianjin qui a collaboré avec le Dalian Institute of Chemical Physics, l’Académie chinoise des sciences, dans le nord-est de la province du Liaoning.

À 15 kilogrammes, le FY-36 à faible bruit peut être soulevé par un adulte ou transporté dans une camionnette, et les concepteurs ont déclaré que sa forme aérodynamique hybride – avec quatre hélices verticales – peut lui permettre de naviguer à des vitesses élevées, comme 90 km/h.

Avec une charge utile allant jusqu’à trois kilogrammes, le FY-36 a été conçu pour effectuer des tâches telles que l’inspection des lignes électriques, les missions de recherche et de sauvetage, la cartographie géologique et la collecte de renseignements militaires, mais sa source d’énergie est ce qui le démarque.

Sa pile à combustible au méthanol a été conçue pour produire suffisamment d’électricité pour un temps de vol allant jusqu’à 12 heures par charge. En comparaison, un drone selfie chinois DJI Spark à faible coût alimenté au lithium peut rester dans les airs pendant 15 minutes, tandis que le DJI Inspire 2 de qualité professionnelle peut à peine dépasser une demi-heure avec une batterie au lithium-ion.

“Il y avait des tonnes de problèmes qui devaient être résolus sur le terrain avant que le FY-36 ne prenne son vol inaugural en novembre 2019”, a déclaré lundi Zhang – qui a décrit la technologie comme un “changeur de jeu”.

La recherche sur les piles à combustible à Dalian a commencé dans les années 1960, lorsque l’Armée populaire de libération a lancé un programme de développement d’un engin spatial orbital. Cet effort a été abandonné au milieu des années 70 en raison du coût élevé et de sa complexité, mais le développement de piles à combustible utilisant des substances telles que le méthanol, l’hydrogène et le magnésium s’est poursuivi.

Au fil des ans, les travaux ont fourni des approvisionnements énergétiques à long terme pour les plates-formes militaires, y compris un submersible sans pilote qui peut fonctionner à une profondeur de plus de 10 000 mètres. Pendant ce temps, les développeurs ont tenté de se diversifier dans des secteurs civils tels que les transports publics et, plus récemment, les drones.

Les batteries qui fonctionnent au méthanol – un carburant abondant – sont simples. Lorsque l’alcool incolore s’écoule à travers la cellule de la batterie, ses molécules sont décomposées par un catalyseur en dioxyde de carbone et en eau, un processus qui libère une énorme quantité d’électrons.

Le méthanol, en théorie, peut stocker 70 fois plus d’énergie que le lithium-ion.

La réalisation de l’application réelle des piles à combustible au méthanol a présenté aux scientifiques de Dalian d’énormes obstacles. La conversion de l’énergie chimique en électricité était inefficace; le débit de méthanol dépendait de la température de l’air, ce qui signifie qu’une batterie pouvait avoir du mal en cas d’augmentation soudaine de la demande d’énergie, et le coût des composants, qui utilisaient des métaux précieux tels que le platine, était élevé.

Il leur a fallu des décennies pour surmonter ces obstacles.

Avant le vol d’essai inaugural du FY-36, la température au sol est tombée au point de gel et le cisaillement du vent a généré beaucoup de turbulence. Il n’était pas certain que la nouvelle source d’alimentation puisse fonctionner correctement dans de telles conditions défavorables, mais selon Zhang, le FY-36 avait effectué 15 vols d’essai.

L’équipe s’attendait à affiner les performances du drone en vol avant un lancement commercial l’année prochaine. Le coût du FY-36 n’était pas clair, mais Zhang a déclaré que le prix serait compétitif pour les clients qui commandaient en gros.

“Nous sommes définitivement intéressés par la batterie au méthanol”, a déclaré Xiao Yan, directeur du fournisseur de services de drones Eagle Brother basé à Shenzhen, dans le sud de la province du Guangdong, qui n’était pas impliqué dans le projet.

L’endurance – le temps dans les airs – était un gros problème dans le secteur des drones, et la plupart des drones de la flotte au lithium d’Eagle Brother devaient changer leurs batteries épuisées toutes les 30 minutes.

La société – qui fournit des drones à l’agriculture – avait envisagé les combustibles fossiles, a déclaré Xian. Sur un petit drone, le refroidissement du moteur était un défi, surtout sous la chaleur estivale. L’ajout d’un système de refroidissement à un moteur à essence augmenterait non seulement le coût du drone, mais réduirait la taille de sa charge utile.

Pour rejoindre la flotte Eagle Brother, les drones devaient soulever autant que ses modèles alimentés au lithium et arriver à un prix abordable. Le site Web de la société présentait des drones capables de soulever 16 kg.

La Chine n’est pas le seul pays à développer une technologie de pile à combustible pour le vol. En Allemagne, Lange Research Aircraft a construit l’Antares E2, un avion au méthanol de 1,5 tonne conçu pour être piloté par des humains ou par ordinateur.

Bien qu’il n’ait pas volé, le E2 devait transporter plus de 200 kg de charge utile jusqu’à 40 heures en altitude. “Dans cette gamme de poids, nous sommes sans aucun doute en tête du monde”, a déclaré Zhang à propos du FY-36, beaucoup plus petit.

Les entreprises chinoises ont dominé le marché mondial des drones. Les estimations de l’industrie suggèrent que DJI contrôle une part de plus de 70 pour cent.

Dans le secteur militaire, les drones chinois rattrapent leurs homologues américains. La série Rainbow développée par la China Aerospace Science and Technology Corporation a été exportée vers des clients tels que l’Arabie saoudite, les Émirats arabes unis, l’Égypte et le Pakistan en raison de leur faible coût et de leurs performances compétitives.