Piles à combustible : Stratification feuille à feuille ; stratification sous vide ; Principe de fonctionnement ; assemblage ; fabrication, empilement.

Stratification feuille à feuille : Révolution de la production de piles à combustible
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Machines pour la fabrication de piles à combustible

Faire avancer la technologie des piles à combustible grâce à une stratification sous vide précise

Machines pour la fabrication de piles à combustible
Machine de stratification feuille à feuille Shindo pour piles à combustible


Spécification
Méthode d'approvisionnement en film Type d'alimentation en rouleau
Découpe Découpe à lame (Sous-joint, MEA, GDL)
Type d'alignement Alignement de vision (Pré-alignement, 2e alignement, Alignement par perforation)

Le passage mondial vers des sources d'énergie propres et durables a entraîné des avancées significatives dans la technologie des piles à combustible. Dans le monde des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), la précision et l'efficacité dans la fabrication des composants sont essentielles pour atteindre des performances optimales. Un élément crucial dans les piles à combustible est l'assemblage d'électrodes de membrane (MEA), qui rassemble les composants suivants : plaque d'extrémité d'anode, collecteur de courant, plaque bipolaire, joint, couche de diffusion de gaz (GDL), sous-joint, assemblage d'électrodes de membrane (MEA), plaque d'extrémité de cathode.

7-layer-PEMFC

Parmi les différentes méthodes de fabrication, la stratification feuille à feuille (S2S) se distingue comme une approche révolutionnaire, et notre partenaire coréen Shindo Ltd. est devenu la force motrice derrière cette innovation. Offrant des configurations à 3 couches (électrode + membrane ; MEA), à 5 couches (MEA + sous-joint) et à 7 couches (MEA + sous-joint + couche de diffusion de gaz), les machines Shindo se sont fait une place de choix sur le marché S2S, permettant aux fabricants d'obtenir des performances exceptionnelles de piles à combustible. Dans ce qui suit, nous approfondirons les avantages de la stratification feuille à feuille par rapport aux méthodes bobine à bobine (R2R), expliquerons les détails techniques et montrerons comment les machines Shindo façonnent l'avenir de la production de piles à combustible.

Avantages de la stratification de feuille à feuille par rapport à la stratification de rouleau à rouleau

  1. Presse à chaleur sous vide pour un meilleur contrôle et une efficacité accrue de l'adhésif :La presse à chaleur sous vide développée par Shindo et utilisée dans la stratification S2S implique l'utilisation de grands films découpés et de laminés, ce qui permet un meilleur contrôle de l'adhésif et une efficacité de la pile à combustible nettement plus élevée, jusqu'à 13 % de plus que les processus R2R. Cette méthode garantit un meilleur contact entre les couches, ce qui se traduit par des piles à combustible plus performantes et plus durables. Dans la méthode R2R, l'utilisation du vide n'est pas possible.
  2. Alignement précis et distribution uniforme de la chaleur :Un des facteurs critiques dans la fabrication de piles à combustible est l'alignement précis des composants. Les machines Shindo intègrent une technologie d'alignement sophistiquée par caméra, garantissant un positionnement précis des électrodes et des joints. De plus, la presse sous vide, un composant clé des machines Shindo, assure une distribution uniforme de la chaleur et de la pression pendant le processus de stratification, minimisant les défauts et maximisant la production de la pile à combustible.
  3. Élimination des bulles d'air dans les couches de diffusion de gaz (GDL) :Les couches de diffusion de gaz sont essentielles pour les performances des piles à combustible, et la stratification S2S facilite l'élimination des bulles d'air qui peuvent se former pendant le processus. Le contrôle supérieur de l'environnement de stratification permet d'obtenir une meilleure qualité du GDL, ce qui conduit à des piles à combustible plus efficaces et fiables.
  4. Conception compacte et rentable :Les machines Shindo utilisent la stratification sous vide au lieu de rouleaux mécaniques, ce qui se traduit par une conception plus compacte et économique. Cette caractéristique d'économie d'espace bénéficie non seulement aux fabricants disposant d'un espace de production limité, mais réduit également les coûts de membrane, en faisant un choix économique pour la production de piles à combustible.
  5. Polyvalence et personnalisation :Le processus S2S offre une flexibilité inégalée pour s'adapter à différentes tailles et matériaux de piles à combustible. Les machines Shindo s'adaptent aisément à divers matériaux, ce qui en fait une option privilégiée pour les constructeurs automobiles et d'autres industries recherchant des solutions de piles à combustible personnalisées.

Avantages de la presse à chaleur sous vide par rapport au processus de décalcomanie dans la stratification des piles à combustible

En ce qui concerne la fabrication de piles à combustible, le processus de stratification joue un rôle crucial dans la détermination des performances finales et de l'efficacité de la pile à combustible. Traditionnellement, la méthode de décalcomanie a été utilisée. Dans un processus en plusieurs étapes, deux sous-joints, deux fois le matériau de l'électrode (réseau de carbone) avec une couche de catalyseur (platine) et la membrane polymère (Nafion®). Le Nafion® est un polymère de tétrafluoroéthylène sulfoné (PTFE) qui a été développé à la fin des années 1960, dirigé par Walther Grot, comme une modification du Téflon. Cette fixation nécessite un minimum de trois étapes dans la machine et le processus. Elle implique une méthode de presse à chaud utilisant des rouleaux, permettant un traitement continu dans un environnement atmosphérique. Malgré ses avantages, la décalcomanie présente des limites, notamment en termes d'uniformité et de contrôle du processus de stratification. La presse physique utilisée dans la décalcomanie peut entraîner des incohérences de pression et de température à travers la pile à combustible, affectant ses performances globales.
C'est là que la presse à chaleur sous vide de Shindo se distingue en tant qu'alternative révolutionnaire, offrant des avantages significatifs par rapport au processus de décalcomanie. Avec la presse à chaleur sous vide, le processus de stratification de la pile à combustible est simplifié, ne nécessitant qu'une seule étape dans la machine et le processus. Cela réduit le temps de production et la complexité, le rendant plus efficace pour les fabricants de piles à combustible.
L'avantage principal de la presse à chaleur sous vide réside dans sa capacité à effectuer la presse à chaud dans un environnement sous vide. Cette condition de vide contrôlé garantit une meilleure uniformité tout au long du processus de stratification. L'absence de variations de pression atmosphérique, comme dans le cas de la décalcomanie, permet une application cohérente et précise de la pression et de la chaleur à travers la pile à combustible, ce qui améliore ses performances globales et sa durabilité.
De plus, la presse à chaleur sous vide permet un traitement thermique par composition de catalyseur. Cette capacité améliore davantage l'efficacité et la longévité de la pile à combustible en optimisant les couches de catalyseur (dans l'anode ou la cathode), ce qui entraîne de meilleures réactions électrochimiques à l'intérieur de la cellule.

Machines Shindo : Des innovations techniques pionnières

  1. Technologie de pressage de membrane de pointe :Les machines Shindo disposent d'un ensemble de technologies brevetées, dont le pressage de membrane est une caractéristique remarquable. Cette technologie avancée permet la production de membranes ultra-minces de 10µm, améliorant considérablement les performances et l'efficacité globale des piles à combustible. La réduction de l'épaisseur précédente de 20µm réduit la résistance électrique et optimise la diffusion de gaz, ce qui se traduit par une puissance de sortie de la pile à combustible améliorée.
  2. Tests techniques et support :Les machines Shindo vont au-delà de la simple vente d'équipement en fournissant des tests techniques et un support pour s'assurer que les clients reçoivent les machines et les processus les plus adaptés à leurs applications spécifiques. Cette approche personnalisée renforce la confiance des clients et améliore le succès des projets de production de piles à combustible.
  3. Adapter aux divers clients :Les machines Shindo s'adressent à deux catégories principales de clients : les constructeurs automobiles recherchant des batteries de piles à combustible pour les véhicules électriques et les entreprises de génération d'hydrogène nécessitant des piles à combustible pour la production d'énergie sur site, comme les éoliennes situées dans des zones éloignées, y compris les installations en mer.
  4. Uniformité supérieure avec le pressage de membrane :Le processus S2S des machines Shindo offre une uniformité exceptionnelle en termes de pression et de température, dépassant les résultats réalisables avec les méthodes R2R. Cette uniformité est essentielle pour créer des piles à combustible à la performance cohérente et fiable.

Conclusion

La stratification de feuille à feuille s'est imposée comme une technologie de pointe dans la fabrication de piles à combustible, offrant des avantages inégalés par rapport aux méthodes de rouleau à rouleau. Les machines Shindo, avec leurs innovations révolutionnaires et leur engagement envers l'excellence technique, sont à l'avant-garde de ce processus transformateur. En permettant un contrôle adhésif précis, un alignement supérieur, l'élimination des trous d'air et une personnalisation rentable, les machines Shindo ont révolutionné la production de piles à combustible. Alors que le monde avance vers des solutions énergétiques durables, l'avenir de la technologie des piles à combustible semble prometteur, porté par les machines Shindo et leur dévouement pour optimiser l'efficacité et les performances des piles à combustible.


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Principe de fonctionnement des piles à combustible

Voici un aperçu du principe de fonctionnement des piles à combustible, ainsi que la présentation de la fabrication des PEMFC (Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons). Les piles à combustible sont des éléments galvaniques qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique à l'aide d'un processus électrochimique réversible. À cette occasion, un carburant est continuellement ajouté et réagit avec un agent oxydant. Étant donné que la source d'énergie n'est pas stockée dans la pile à combustible, la capacité et les performances augmentent indépendamment. La réaction de réduction-oxydation (redox) sous-jacente se produit séparément à l'anode et à la cathode. Ainsi, c'est de l'énergie électrique et non de l'énergie thermique qui est produite. Les composants les plus couramment utilisés sont l'hydrogène (H2) et l'oxygène (O2), dont les réactions sous-jacentes sont indiquées ci-dessous. Cette réaction redox peut être réalisée à la fois avec un catalyseur acide et un catalyseur alcalin.


Électrolyte acide

Électrolyte alcalin

Anode : 2 H2 + 4 H2O → 4 H3O+ + 4 e-
Cathode : O2 + 4 H3O+ + 4 e- → 6 H2O
Anode : 2 H2 + 4 OH- → 4 H2O + 4 e-
Cathode : O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-
Total : 2 H2 + O2 → 2 H2O Total : 2 H2 + O2 → 2 H2O

En utilisant un catalyseur alcalin ainsi qu'un catalyseur acide, le gaz hydrogène (H2) est converti à l'anode. Au cours de ces réactions, des électrons sont libérés. Dans ce cas, un environnement acide conduit à la formation d'eau protonée (H3O+), tandis que dans un environnement alcalin, les ions hydroxyde (OH-) réagissent pour former de l'eau (H2O). En revanche, à la cathode, l'oxygène (O2) est converti en eau (H2O) (catalyseur acide) ou en ions hydroxyde (OH-) (catalyseur alcalin). Ainsi, la réaction d'oxydoréduction globale montre la conversion de l'hydrogène et de l'oxygène en eau pour les deux systèmes catalytiques.

Bien que l'oxygène et l'hydrogène soient la combinaison la plus courante dans une pile à combustible, d'autres vecteurs d'hydrogène tels que le méthanol (CH3OH), le butane (C4H10) ou le gaz naturel (>75% de méthane) méritent d'être pris en considération comme combustibles. Fréquemment, l'hydrogène est stocké sous forme chimique d'ammoniac (NH3). L'ammoniac peut être décomposé thermiquement sur place à l'aide d'un générateur d'hydrogène. Le générateur de H2 est également appelé fractionneur d'ammoniac ou fendeur d'ammoniac, car l'ammoniac y est décomposé en hydrogène et en azote, comme le montre l'équation suivante :

2 NH3 → H2+ 3 N2

En fonction du type de pile à combustible utilisé, il est parfois nécessaire de séparer l'azote par un processus supplémentaire.

Construction de la pile à combustible

Une pile à combustible est généralement constituée de deux électrodes revêtues de catalyseur et d'un électrolyte (conducteur ionique). Des systèmes principalement métalliques ou à base de carbone présentant de grandes surfaces sont utilisés comme électrodes (par exemple, feutre de carbone (CF)). Le ruthénium ou le platine sont des matériaux courants utilisés comme catalyseurs. Le rôle de l'électrolyte est de séparer spatialement les réactifs et de permettre le transport de charges entre les électrodes. Les électrolytes liquides et solides sont possibles.

Comparaison des types de piles à combustible

Pour la réalisation des processus d'oxydation spatialement séparés d'un combustible hydrogéné, diverses approches sont possibles. Les différences sous-jacentes des piles à combustible sont principalement basées sur les températures de fonctionnement, le type d'électrolytes ainsi que les combustibles fournis et les réactions d'oxydoréduction correspondantes. Les piles à combustible basse température (LT-FC) fonctionnent jusqu'à 200 °C, tandis que les piles à haute température (HT-FC) démarrent à des températures supérieures à 700 °C. En raison de la température, les catalyseurs des piles à combustible basse température doivent être composés de métaux coûteux du groupe du platine. De plus, la contamination des gaz d'entrée par, par exemple, le monoxyde de carbone, peut endommager le processus de manière importante. En utilisant des piles à combustible haute température, des catalyseurs moins chers à base de nickel sont suffisants. De plus, une efficacité plus élevée est souvent possible. De plus, les piles à combustible peuvent être distinguées par les électrolytes utilisés. Les membranes d'électrolyte polymère (par exemple, pile à combustible à membrane d'échange de protons - PEMFC), les électrolytes alcalins aqueux (par exemple, pile à combustible alcaline - AFC), les électrolytes acides aqueux (pile à combustible à acide phosphorique - PAFC), les liquides électrolytes ioniques (pile à combustible à carbonate fondu - MCFC) ainsi que les électrolytes solides (pile à combustible à oxyde solide - SOFC) sont les types les plus couramment utilisés.
Les types de piles à combustible les plus fréquents et leurs propriétés sont présentés dans le tableau suivant.

Nom Type Électrolyte Porteur de charge Gaz combustible (Anode) Agent d'oxydation (Cathode) Température (°C) Efficacité Application
Pile à combustible à membrane d'échange de protons
pour hydrogène (PEMFC)
Pile à combustible basse température oxyhydrogène acide Membrane polymère conductrice de protons
(PEM)
Ion hydronium (H3O+) Hydrogène (H2) Oxygène (O2) ou air ; humidifié 60-70 Cellule : 50-68 Véhicules de production, centrales thermiques,
Alimentation électronique
Pile à combustible à membrane d'échange de protons
pour carburants alternatifs
comme le méthanol (DMFC), l'éthanol (DEFC), etc.
Pile à combustible basse température oxyhydrogène Membrane polymère conductrice de protons
(PEM)
Ion hydronium (H3O+) Mélange Méthanol-Eau (CH3OH-H2O)
Mélange Méthanol-Eau (C2H5OH-H2O)
etc.
Oxygène atmosphérique (O2) 60-130 Cellule : 20-30 Entraînements électriques, utilisation de batteries
Pile à combustible à oxyde solide (SOFC) Pile à combustible haute température oxyhydrogène Électrolyte céramique d'oxyde
(ZrO2 + Y2O3)
Ion oxyde (O2-) Hydrogène (H2) Oxygène atmosphérique (O2) 800-1000 Cellule : 60-65 Centrales thermiques (jusqu'à 250 kW)
Pile à combustible galvanique
avec électrolyte alcalin, par exemple (AFC)
Pile à combustible basse température oxyhydrogène alcalin par exemple, solution d'hydroxyde de potassium, 30% Ion hydroxyde (OH-) Hydrogène pur (H2) Oxygène pur (O2) 20-90 Cellule : 60-70 Petites installations (jusqu'à 150 kW) ; Propulsion de sous-marins
Pile à combustible galvanique
avec électrolyte acide, par exemple (PAFC)
Pile à combustible basse température oxyhydrogène acide par exemple, acide phosphorique concentré Ion hydronium (H3O+) Hydrogène (H2)
Oxygène atmosphérique (O2) 150-220 Cellule : 55 Cogénération stationnaire de chaleur et d'électricité

Les deux types de piles à combustible les plus prometteurs selon l'état actuel de l'art sont la pile à combustible à membrane d'électrolyte polymère et la pile à combustible à oxyde solide.

Pile à combustible à membrane d'électrolyte polymère (PEMFC)

La "pile à combustible à membrane d'échange de protons" (PEMFC), est également connue sous le nom de pile à combustible à electrolyte polymère (PEFC)
Ce type de piles à combustible fonctionne à des températures comprises entre 10 °C et 100 °C (basse température PEMFC) et entre 130 °C et 200 °C (haute température PEMFC) en fonction de la membrane d'électrolyte utilisée. Les deux applications atteignent une efficacité d'environ 60 % en utilisant de l'hydrogène pur (environ 48 % en utilisant du gaz fossile). Comme décrit dans la section Principe de fonctionnement pour l'électrolyte acide, à la cathode, l'hydrogène ou une source d'hydrogène comme les hydrocarbures est converti en anode, tandis que l'oxygène, par exemple de l'oxygène atmosphérique, est converti en cathode. L'approvisionnement continu en eau de l'anode est réalisé par rétrodiffusion à travers la membrane ainsi que par l'humidification des réactifs.

PEMFC basse température

Les piles à combustible à membrane polymère basse température utilisent généralement une membrane polymère composée de Nafion®, un polymère fluoropolymère à base de tétrafluoroéthylène sulfoné. En humidifiant cette membrane, elle devient acide et est donc capable de transporter des protons. La conductivité augmente avec l'augmentation de la teneur en eau. La membrane est revêtue des deux côtés, généralement à l'aide d'une électrode en carbone poreux ayant une surface élevée correspondante. Un catalyseur composé de platine, de platine et de ruthénium, de platine et de nickel ou de platine et de cobalt, est généralement intégré. À ces températures de fonctionnement, une attention particulière doit être accordée aux impuretés de monoxyde de carbone dans le gaz d'hydrogène. Par exemple, le monoxyde de carbone peut être un produit secondaire de la production d'hydrogène à partir de sources d'huile fossile naturelle et atteindre ainsi la pile à combustible. C'est important car même de petites proportions de 10 ppm de monoxyde de carbone dans le gaz combustible peuvent entraîner un empoisonnement du catalyseur et donc une interruption de la réaction. La raison en est que le CO, ayant une forte affinité, bloque les centres catalytiques actifs de la membrane. Cependant, le rinçage de la pile à combustible avec du gaz inerte respectivement de l'hydrogène pur élimine à nouveau le CO toxique. Une concentration de CO trop élevée peut être évitée en utilisant la réaction de conversion ou l'oxydation sélective du CO.
En utilisant la réaction réversible de conversion, le CO peut être transformé en CO2 et en hydrogène en ajoutant de l'eau vaporisée.
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
Dans ce processus, l'équilibre est déplacé du côté des produits en fonction des températures plus élevées.
Les composés soufrés et l'ammoniac dans le gaz combustible sont également des poisons catalytiques et doivent donc être maintenus dans une faible proportion en ppm si possible.

PEMFC haute température

Les piles à combustible à membrane polymère haute température utilisent généralement une membrane polymère en polybenzimidazole. Pour augmenter la conductivité des protons, de l'acide phosphorique est incorporé dans la matrice de polybenzimidazole. Contrairement aux PEMFC basse température, il n'est pas nécessaire de stocker de l'eau dans cette membrane. De plus, les réactions à 130 - 200 °C sont beaucoup plus résistantes aux gaz empoisonnants du catalyseur, tels que le monoxyde de carbone, car le CO se désorbe plus rapidement et arrête donc de bloquer les centres catalytiques actifs.

Avantages de la PEMFC

Inconvénients de la PEMFC

État de développement de la PEMFC

À l'heure actuelle, les premiers véhicules de production (automobiles, camions et bus), les petites installations et la cogénération sont alimentés par des piles à combustible à membrane polymère. De plus, il existe des applications dans l'utilisation de batteries, l'alimentation électronique portable (par exemple, les ordinateurs portables). Des applications dans le domaine du voyage spatial ou de l'utilisation militaire sont également en cours de développement. Dans ce cas, des performances de 5 à 250 kW peuvent être atteintes.

Pile à combustible à oxyde solide (SOFC)

La "pile à combustible à oxyde solide" (SOFC) fonctionne à une température de 650 - 1000°C et fait donc partie des piles à combustible à haute température. L'électrolyte solide en céramique d'oxyde est caractéristique de la technique SOFC. Le matériau le plus couramment utilisé ici est l'oxyde d'yttrium stabilisé par l'oxyde de zirconium (YSZ). Une alternative est l'oxyde de lanthane-gallium dopé au strontium et au magnésium (LSGM) ou l'oxyde de cérium dopé au gadolinium (CGO). On peut obtenir une efficacité allant jusqu'à 70 % avec la SOFC. L'électrolyte, en tant qu'élément central de la pile à combustible, est fabriqué sous forme de tube ou éventuellement sous forme de membrane plane. Il doit être conçu assez fin pour garantir un faible transport d'énergie des ions oxygène. Le matériau de la cathode peut être constitué de pérovskites à base de manganèse, par exemple La0.8Sr0.2MnO3 (LSM). Ces matériaux sont attrayants pour leur durabilité élevée et leur résistance au vieillissement. Cependant, ils sont vulnérables à l'empoisonnement au chrome, qui peut être libéré à partir des composés de connexion en acier chromé et réduire ainsi considérablement la durée de vie. À l'anode, des matériaux tels que le nickel et l'oxyde de zirconium stabilisé par l'oxyde d'yttrium (Ni-YSZ) sont utilisés.

Avantages de la SOFC

Inconvénients de la SOFC

État de développement de la SOFC

À l'heure actuelle, des prototypes expérimentaux de centrales électriques à bloc pour l'alimentation électrique stationnaire existent. Dans ce cas, des performances allant jusqu'à 250 kW peuvent être atteintes.


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