Piles à combustible à membrane d'échange de protons

Source : Laboratoires de Margaret Workman et Kimberly Frye - Depaul University

Les Etats-Unis consomme une grande quantité d’énergie – le taux actuel est environ 97,5 Billiards BTU chaque année. La grande majorité (90 %) de cette énergie provient de sources de combustibles non renouvelables. Cette énergie est utilisée pour l’électricité (39 %), transports (28 %), industrie (22 %) et résidentiel/commercial utilisent (11 %). Comme le monde a une quantité limitée de ces sources non renouvelables, aux États-Unis (entre autres) a élargi l’utilisation de sources d’énergie renouvelables pour répondre aux besoins énergétiques futurs. Une de ces sources est l’hydrogène.

L’hydrogène est considéré comme une source potentielle de carburant renouvelable, car il répond à plusieurs critères importants : il est disponible sur le marché intérieur, il a quelques polluants nocifs, il est économe en énergie et il est facile à exploiter. Alors que l’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers, on le trouve uniquement sous forme de composé sur la terre. Par exemple, il est combiné avec l’oxygène dans l’eau comme H₂O. Pour être utile comme combustible, il doit être sous forme de gaz de₂ H. Donc, si l’hydrogène doit être utilisé comme carburant pour les voitures ou autres appareils électroniques, H₂ doit être effectuée tout d’abord. Thusly, l’hydrogène est souvent appelé « vecteur énergétique » plutôt que d’un « carburant ».

Actuellement, le moyen le plus populaire pour faire des gaz de₂ H provient de combustibles fossiles, par reformage d’hydrocarbures ou de gazéification du charbon. Cela ne réduit pas la dépendance aux combustibles fossiles et à forte intensité énergétique. Une méthode moins utilisés est par électrolyse de l’eau. Cela nécessite également une source d’énergie, mais il peut être une source renouvelable, comme l’éolienne ou solaire. Dans l’électrolyse, l’eau (H₂O) est divisé en ses éléments constitutifs, gaz d’hydrogène (H₂) et oxygène (O₂), grâce à une réaction électrochimique. Le gaz hydrogène réalisé à travers le processus d’électrolyse peut ensuite servir dans une pile à combustible Proton Exchange Membrane (PEM), générant un courant électrique. Ce courant électrique peut être utilisé pour alimenter les moteurs, lumières et autres appareils électriques.

Partie I de cette expérience implique la génération d’hydrogène par électrolyse. Dans l’électrolyse, l’eau est divisé en ses éléments constitutifs, d’hydrogène et d’oxygène, par l’intermédiaire de la réaction électrochimique suivante :

2 H₂O_(l) → 2 H_{2 (g)} + O_{2 (g)}

Il y a deux fois plus de molécules d’hydrogène produites comme les molécules d’oxygène. Cette réaction ne se produit pas spontanément et a besoin d’une source d’énergie électrique, par exemple, un panneau solaire. Il s’agit d’une réaction d’oxydo-réduction. Ces types de réactions chimiques peuvent être divisés en deux parties : la réaction d’oxydation et de la réaction de réduction. On appelle ces moitié-réactions. Dans la moitié-réaction d’oxydation, les électrons sont libérés. Dans la réduction de moitié-réaction, les électrons sont acceptés.

Oxydation : 2 H₂O_(l) → O_{2 (g)} + 4 H⁺_(aq) + 4 e^–
Réduction : 4 H⁺_(aq) + 4 e^– → 2 H_{2 (g)}

Le gaz d’hydrogène peut être recueilli et stocké pour une utilisation à une date ultérieure dans une pile à combustible (PEM) (Figure 1).

Partie II de cette expérience consiste à utiliser le gaz hydrogène stockée comme combustible pour produire de l’électricité pour alimenter un ventilateur. La pile à combustible utilisée dans cette expérience est une pile à combustible PEM. La pile à combustible PEM est comme une batterie, qu’il crée de l’électricité par une réaction chimique qui implique le transfert d’électrons. Dans la pile à combustible PEM, les réactions de la moitié sont comme suit :

Oxydation : 2 H_{2 (g)} → 4 H⁺_(aq) + 4 e^–
Réduction : 4 H⁺_(aq) + O_{2 (g)} + 4 e^– → 2 H₂O_(l)

La réaction globale est : 2 H_{2 (g)} + O_{2 (g)} → 2 H₂O_(l) + énergie

Ces moitié-réactions aux électrodes (conducteurs dans lequel passe d’électricité). Dans la pile à combustible PEM, il y a deux électrodes : une anode et une cathode. Oxydation se produit à l’anode. La réduction se produit à la cathode. Ainsi, dans la pile à combustible PEM à l’anode, gaz d’hydrogène est oxydé et électrons sont libérés dans le circuit. À la cathode, l’oxygène gazeux est réduite et l’eau est formée. Dans la pile à combustible PEM, une membrane échangeuse de protons sépare les deux électrodes. Cette membrane permet de protons (H⁺) puisse couler à travers, mais empêche les électrons de pénétrer dans la membrane. Ainsi, les électrons sont contraints de circuler à travers le circuit électrique (Figure 2).

Figure 1 : Schéma d’un électrolyseur.

Figure 2 : Pile à combustible PEM.

1. à l’aide de l’électrolyseur pour produire l’hydrogène gazeux

1. Installation de l’électrolyseur (Figure 3).
2. Mettre en place les bouteilles de gaz collection, en vous assurant le niveau de l’eau distillé dans le cylindre extérieur est à la marque 0 (Figure 4).
3. Connecter l’électrolyseur les collection aux bouteilles à gaz (Figure 5).
4. Raccorder un panneau solaire à l’électrolyseur à l’aide de fils de raccordement et les exposer aux rayons du soleil (Figure 6). Noter que si les conditions météorologiques ne coopère pas ce jour-là, à l’aide d’une lampe avec une ampoule d’éclairage pour simuler le soleil.
5. H₂ et O₂ gaz commence à entrer dans les cylindres intérieurs (Figure 7). Surveiller le volume de chaque gaz produit à des intervalles de 30 s, à l’aide de l’échelle indiquée sur le cylindre extérieur. Il faut environ 10 minutes pour remplir le cylindre interne avec gaz₂ H.
6. Lorsque le cylindre intérieur est complètement rempli de gaz de₂ H, quelques bulles devraient émerger du cylindre intérieur, finit par atteindre la surface. À ce stade, le panneau solaire de l’électrolyseur et fermer la serre sur le tube de gaz H₂ , donc aucun des gaz H₂ s’échappe. Avis il est deux fois plus d’hydrogène produite sous forme de gaz oxygène, comme l’avait prédit dans l’équation chimique équilibrée.

2. piles à combustible

1. Installation d’une pile à combustible (Figure 8).
2. Débrancher le tuyau de gaz de₂ H de l’électrolyseur et connectez-le à la pile à combustible.
3. Connectez la pile à combustible à un ventilateur (ou une lumière LED, si un fan n’est pas disponible (Figure 9)) et libérer le cinch sur le tube de gaz H₂ (Figure 10). Le ventilateur devrait commencer à tourner. Si ce n’est pas le cas, appuyez sur la valve de purge sur la pile à combustible pour obtenir le gaz qui circule.
4. Le ventilateur continue à tourner jusqu'à ce que tous le gaz de₂ H est consommée. Cela devrait durer environ 5 min.

Figure 3 : Une image de l’électrolyseur.

Figure 4 : Bouteilles de collection de gaz avec des niveaux d’eau distillées égales à 0.

Figure 5 : Une photo de l’électrolyseur branché les collection aux bouteilles à gaz.

Figure 6 : Le panneau solaire connecté à l’électrolyseur avec les fils de raccordement.

Figure 7 : Exemple de gaz entrant dans les cylindres.

Figure 8 : Une photo d’une pile à combustible.

Figure 9 : La pile à combustible raccordé à une lumière de LED au lieu d’un ventilateur.

Figure 10 : L’électrolyseur branché avec la pile à combustible, qui est reliée avec le ventilateur.

Pendant le procédé d’électrolyse, gaz d’hydrogène et d’oxygène sont générés lorsque le panneau solaire est branché et exposé au soleil. Il faut environ 10 min pour générer assez gaz de₂ H pour remplir le cylindre interne (tableau 1). Notez qu’il y a deux fois autant de H₂ généré sous la forme O₂, comme le montre l’équation équilibrée :

2 H₂O_(l) → 2 H_{2 (g)} + O_{2 (g)}

Une fois que le gaz de₂ H est généré et le tube est relié à la pile à combustible, la pile à combustible produit de l’électricité et provoque le ventilateur tourner. Cela dure environ 10 min sur un cylindre plein de gaz de₂ H.

Tableau 1 : Temps nécessaire pour générer l’hydrogène différente et des quantités d’oxygène

L’hydrogène est un carburant flexible. Il peut être produit sur place, en petites quantités pour une utilisation locale ou en grande quantité à une installation centralisée. L’hydrogène peut ensuite servir à produire de l’électricité avec uniquement de l’eau comme sous-produit (à condition qu’une source renouvelable d’énergie, comme une éolienne, a été utilisée pour générer l’hydrogène gazeux). Par exemple, à Boulder, Colorado, le projet Wind2H2 a des éoliennes et panneaux solaires connectés d’électrolyseurs qui produisent un gaz d’hydrogène de l’eau et la stocke ensuite à utiliser dans leur station de ravitaillement en hydrogène.

Ce processus peut aussi servir à rendre les voitures à courir sur le gaz d’hydrogène (H₂) au lieu de combustibles fossiles. Si une pile à combustible PEM est installée dans une voiture, l’électricité peut être utilisée pour que le moteur fonctionne. Le gaz d’échappement seulement serait l’eau (H₂O). Du point de vue pollution de l’air, c’est avantageux. Il y a de nombreux prototypes de voitures de pile à combustible développés par les grands constructeurs automobiles. En raison de la quantité d’espace actuellement requis pour stocker les réservoirs d’hydrogène comprimé sur un véhicule, piles à combustible hydrogène apparaissent principalement dans les bus. Autobus à pile à combustible se trouvent dans plusieurs pays du monde entier. Il y a quelques problèmes techniques qui doivent être abordées avant les voitures à pile à combustible sont une alternative viable aux voitures à moteur à combustion interne y compris en fournissant plus d’infrastructures, réduire les coûts et une utilisation accrue des sources d’énergie renouvelables lors de gaz de₂ H.

En outre, piles à combustible peut être utilisés en lieu et place de batteries pour des choses comme les caméras vidéo et des radios. Un exemple est le dispositif de l’UPP, qui est un bloc d’alimentation portable basé sur la technologie de pile à combustible hydrogène qui peut être utilisée pour charger les périphériques compatibles USB.