| 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
