Pile à combustible à acide phosphorique
La pile à combustible à acide phosphorique ( engl. Phosphoric Acid Fuel Cell , PAFC ) est une pile à combustible à moyenne température .
principe
Le PAFC diffère des autres piles à combustible en ce qu'il fonctionne avec de l'acide phosphorique comme électrolyte . L'acide phosphorique hautement concentré ( 90-100 %) est fixé dans une structure en fibre de PTFE . Comme toutes les piles à combustible, elle produit de l'électricité en oxydant un gaz combustible. Est utilisé car le gaz combustible est l'hydrogène . L'air ou l' oxygène pur peuvent être utilisés comme agent oxydant . Aucun gaz propre ne doit être utilisé. Contrairement à l' AFC, les traces de dioxyde de carbone dans les gaz ne sont pas un problème avec le PAFC.La pile à combustible à acide phosphorique fonctionne dans une plage de température de 160 à 220°C.
En raison de la température et de l'utilisation d'acide phosphorique, des exigences élevées sont imposées à la qualité et à la résistance des composants. Habituellement, des pièces en carbone et en graphite sont utilisées pour les électrodes. L'avantage de ce type est qu'il est relativement peu sensible à la contamination du gaz combustible.
L'acide phosphorique H 3 PO 4 est utilisé comme électrolyte . Un avantage particulier de l'acide phosphorique est sa faible tension de vapeur , qui ne peut cependant être ignorée ; H. l'acide phosphorique liquide s'évapore néanmoins lentement. C'est pourquoi les gaz d'échappement sont normalement refroidis dans une zone de refroidissement à 160 - 180°C et donc à environ 30°C en dessous de la température de fonctionnement. L'électrolyte se condense ainsi avant de sortir de la cellule et peut être réinjecté. L'acide phosphorique est pressé dans une matrice en carbure de silicium, qui est fixée entre l'anode et la cathode et à travers laquelle migrent les protons.
Le platine ou un alliage de platine est généralement utilisé comme catalyseur, car ils sont stables dans l'acide phosphorique chaud H 3 PO 4 , ont des propriétés catalytiques et sont présents en quantité suffisante sur terre pour être utilisés industriellement pour la construction d'électrodes. Dans les développements plus récents, par. B. a utilisé un mélange platine-ruthénium comme catalyseur, ce qui a augmenté la tolérance au monoxyde de carbone de l'électrode. Aujourd'hui, il faut environ 0,25 mg de platine par cm² pour l'anode et 0,5 mg de platine par cm² pour la cathode.
Les différentes méthodes de refroidissement incluent le refroidissement par liquide, le refroidissement par air et le refroidissement par eau, le refroidissement par eau étant le plus largement utilisé. Le refroidissement par eau diffère fondamentalement de deux manières. Dans les deux types, l'eau est introduite dans le système de refroidissement sous forme liquide. Avec l'un d'eux, l'eau ressort à nouveau sous forme liquide, ce qui nécessite cependant de grandes quantités d'eau, car seule une petite quantité de chaleur peut être absorbée. Avec l'autre, l'eau sort du système de refroidissement en deux phases (liquide/gazeuse), ce qui signifie que la construction du système de refroidissement est plus complexe, mais moins d'eau est nécessaire pour le refroidissement.
Équations de réaction
| équation | |
|---|---|
| anode |
Oxydation / don d'électrons |
| cathode |
Réduction / capture d'électrons |
| Réponse globale |
Réaction redox / réaction cellulaire |
Le carburant d'un PAFC est l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène. L'hydrogène est amené à l'anode où la réaction électrochimique a lieu. L'hydrogène est oxydé en ions hydrogène (H + ), les électrons (e - ) sont capturés par une électrode collectrice et acheminés vers la cathode via un consommateur. Les protons migrent à travers l'électrolyte de l'anode à la cathode. L'oxygène est fourni à la cathode, provoquant une réaction électrochimique entre l'oxygène, les ions hydrogène et les électrons ; cela crée de l'eau et de la chaleur.
Avantages et inconvénients par rapport aux autres piles à combustible
Les avantages d'un PAFC sont :
- Robuste
- Tolérance accrue à la contamination du gaz combustible
- L'air peut être utilisé du côté de la cathode (aucun gaz propre requis)
- Bon comportement dynamique
- tolérant au CO 2
Les inconvénients sont :
- Faible densité de puissance
- Durée de vie courte (en raison de l' électrolyte extrêmement agressif )
- Le CO est un poison catalytique , la tolérance au monoxyde de carbone est comprise entre (1 et 3 %) et augmente avec l'augmentation de la température de fonctionnement.
- Efficacité de l'installation plutôt faible
SAFC
Dans les piles à combustible à acide solide (SAFC), les sels de phosphate solides forment l'électrolyte. Au-dessus de 220°C, la conductivité protonique est supérieure à 0,05 (Ωcm) -1 et atteint presque les valeurs de PEFC (autour de 0,1 (Ωcm) -1 ). La formation de sel de l'acide phosphorique est initiée par l'ajout de phosphates alcalins :
- Cs 3 PO 4 + 2 H 3 PO 4 → 3 CsH 2 PO 4
Depuis environ 2010, des recherches sont menées sur l'exploitation des SAFC avec de l'hydrogène, obtenu à partir de l'essence par reformage. La technologie est considérée comme prometteuse à long terme.
Preuve individuelle
- ↑ a b Peter Kurzweil, Ottmar Schmid : Technologie des piles à combustible : principes fondamentaux, composants, systèmes, applications . 3. Édition. Springer Fachmedien, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-14935-2 , Chapitre 6 : Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC), p. 163-178 , doi : 10.1007 / 978-3-658-14935-2_6 ( aperçu limité dans la recherche de livres Google).
- ↑ Kevin Bullis : Les piles à combustible fonctionnent au diesel. Dans : Revue de la technologie . 27 octobre 2010. Consulté le 25 février 2017 .
- ↑ Station de mesure pour piles à combustible : rendre les piles à combustible plus économiques. Avis de produit. In: qualité et fiabilité. 4 mai 2018, consulté le 23 juin 2021 .