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Les piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l’énergie chimique en énergie électrique et sont fréquemment utilisées comme source d’énergie propre et alternative.
Bien que l’essence soit toujours la principale source de carburant pour les véhicules aux États-Unis, des sources de carburant alternatives ont été explorées au cours des dernières décennies afin de réduire la dépendance aux combustibles fossiles et de générer des sources d’énergie plus propres.
Les piles à combustible à hydrogène utilisent de l’hydrogène propre comme carburant et ne produisent que de l’eau comme déchet. Bien qu’elles soient souvent comparées à des batteries, les piles à combustible ressemblent davantage aux moteurs d’automobiles, car elles ne peuvent pas stocker d’énergie et nécessitent une source constante de carburant pour produire de l’énergie. Par conséquent, une quantité importante d’hydrogène est nécessaire pour un fonctionnement constant des piles à combustible.
Cette vidéo présentera l’électrolyse de l’eau à l’échelle du laboratoire pour produire de l’hydrogène gazeux, suivie du fonctionnement d’une pile à combustible à hydrogène à petite échelle.
L’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers. Sur Terre, on le trouve principalement dans des composés avec d’autres éléments. Par conséquent, afin d’utiliser l’hydrogène élémentaire comme carburant, il doit être raffiné à partir d’autres composés. La majeure partie de l’hydrogène gazeux est produite par le processus de reformage du méthane, qui permet d’isoler l’hydrogène du méthane. Cependant, ce processus est extrêmement énergivore, utilise des combustibles fossiles et entraîne des quantités importantes de gaz résiduaires. Cela contribue au changement climatique, empoisonne également les piles à combustible et diminue l’opérabilité.
L’électrolyse de l’eau est une méthode alternative pour produire de l’hydrogène gazeux propre, c’est-à-dire de l’hydrogène exempt de gaz contaminants. Dans l’électrolyse, l’eau est divisée en hydrogène et en oxygène gazeux, à l’aide d’un courant électrique. Pour ce faire, une source d’alimentation électrique est connectée à deux électrodes, qui sont faites d’un métal inerte. Les électrodes sont ensuite placées dans l’eau et un courant électrique est appliqué. Pour l’électrolyse à petite échelle, une batterie ou un petit panneau solaire peut être utilisé pour générer suffisamment de courant pour diviser l’eau. Cependant, dans les applications à grande échelle, des sources à plus haute densité d’énergie sont nécessaires.
La réaction d’électrolyse est une réaction d’oxydoréduction, ou d’oxydoréduction. Il y a deux fois plus de molécules d’hydrogène produites que de molécules d’oxygène, selon la réaction chimique équilibrée. L’hydrogène gazeux généré par cette réaction électrochimique peut être collecté et stocké pour être utilisé comme combustible dans une pile à combustible. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, ou PEM, transforme l’énergie chimique, ou hydrogène gazeux, en énergie électrique. Comme pour l’électrolyse, la pile à combustible PEM utilise une réaction d’oxydoréduction. L’hydrogène gazeux est livré à l’anode de l’assemblage de la pile à combustible, où il est oxydé pour former des protons et des électrons.
Les protons chargés positivement migrent à travers la membrane échangeuse de protons, jusqu’à la cathode. Cependant, les électrons chargés négativement sont incapables de pénétrer dans la membrane. Les électrons voyagent à travers un circuit externe, fournissant un courant électrique. L’oxygène gazeux est acheminé vers la cathode de l’assemblage de la pile à combustible, où se produit la réaction de réduction. Là, l’oxygène réagit avec les protons et les électrons qui ont été générés à l’anode, pour former de l’eau. L’eau est ensuite retirée de la pile à combustible sous forme de déchets.
Maintenant que les bases du fonctionnement des piles à combustible ont été expliquées, examinons ce processus en laboratoire.
Pour commencer la procédure, installez l’électrolyseur et les deux bouteilles de récupération de gaz. Remplissez les récipients extérieurs avec de l’eau distillée jusqu’à ce qu’ils atteignent le repère zéro. Placez les bouteilles de récupération de gaz dans les récipients extérieurs.
Ensuite, connectez l’électrolyseur aux bouteilles de collecte de gaz à l’aide d’un tube. Connectez un panneau solaire à l’électrolyseur à l’aide de fils de liaison. Placez le panneau solaire en plein soleil afin d’alimenter la production d’hydrogène gazeux. S’il n’y a pas assez de lumière naturelle, simulez la lumière du soleil à l’aide d’une lampe.
L’hydrogène et l’oxygène gazeux commenceront à pénétrer dans les bouteilles de collecte de gaz intérieures. Surveiller le volume de chaque gaz produit par intervalles de 30 s, à l’aide de l’échelle indiquée sur la bouteille extérieure.
Lorsque le cylindre intérieur est complètement rempli d’hydrogène gazeux, des bulles émergent du cylindre intérieur, atteignant finalement la surface. À ce stade, débranchez le panneau solaire de l’électrolyseur et fermez le serre-tête du tube à hydrogène gazeux, afin qu’aucun élément d’hydrogène gazeux ne s’échappe. Notez qu’il y a deux fois plus d’hydrogène gazeux produit que d’oxygène gazeux, comme prédit dans l’équation chimique équilibrée.
Pour commencer le fonctionnement de la pile à combustible, placez la pile à combustible sur la paillasse. Débranchez le tube d’hydrogène gazeux de l’électrolyseur et connectez-le à la pile à combustible. L’oxygène nécessaire est collecté dans l’air.
Connectez la pile à combustible à un ventilateur ou à une lumière LED afin de visualiser la production d’énergie. Relâchez la sangle sur le tube d’hydrogène gazeux pour permettre l’écoulement du gaz vers la pile à combustible. Si le ventilateur ne commence pas à tourner, appuyez sur la soupape de purge de la pile à combustible pour favoriser l’écoulement du gaz.
Le ventilateur continuera à tourner jusqu’à ce que tout l’hydrogène gazeux soit consommé.
Il existe de nombreux types de piles à combustible qui sont développés en tant que solutions d’énergie propre. Nous présentons ici trois technologies émergentes.
Les piles à combustible à oxyde solide, ou SOFC, sont un autre type de pile à combustible, qui fonctionnent de la même manière qu’une pile à combustible PEM, sauf que la membrane perméable est remplacée par un oxyde solide. Comme pour les piles à combustible PEM, l’opérabilité des SOFC diminue lors de l’exposition à des gaz contaminants contenant du soufre et du carbone. Dans cet exemple, des électrodes SOFC ont été fabriquées, puis exposées à des environnements de fonctionnement typiques à haute température en présence de carburant contaminé au soufre et au carbone.
L’empoisonnement à la surface des électrodes a été étudié à l’aide de l’électrochimie et de la spectroscopie Raman. Les résultats ont montré que le courant était diminué lors d’un empoisonnement au soufre, mais que la récupération était possible. Des études de microscopie à force atomique ont élucidé la morphologie des dépôts de carbone, ce qui pourrait conduire à d’autres développements pour prévenir cet empoisonnement.
Une pile à combustible microbienne tire son courant électrique de bactéries présentes dans la nature. Dans cet exemple, des bactéries acquises dans des stations d’épuration des eaux usées ont été cultivées et utilisées pour cultiver des biofilms. Une cellule électrochimique à trois électrodes a été mise en place, afin de cultiver des bactéries à la surface d’une électrode. Le biofilm a été cultivé électrochimiquement en plusieurs cycles de croissance.
Le biofilm résultant a ensuite été testé pour le transfert électrochimique d’électrons extracellulaires. Les résultats électrochimiques ont ensuite été utilisés pour comprendre le transfert d’électrons et l’application potentielle du biofilm aux piles à combustible microbiennes.
L’électrolyse nécessite de l’énergie pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène. Ce processus est énergivore à grande échelle, mais peut être exploité à petite échelle à l’aide d’une cellule solaire.
L’énergie éolienne est une source d’énergie alternative pour l’électrolyse. En laboratoire, l’électrolyse peut être alimentée par une éolienne de laboratoire. Dans cette démonstration, l’éolienne a été alimentée à l’aide d’un vent simulé généré par un ventilateur de table.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la pile à combustible PEM. Vous devez maintenant comprendre le fonctionnement de base d’une pile à combustible PEM et la génération d’hydrogène gazeux par électrolyse. Merci d’avoir regardé !
