Comment fabriquer une pile à combustible de vos propres mains. Des biopiles à combustible faites maison

13.11.2021

J'insère le raccord du tuyau de remplissage dans le goulot de remplissage de carburant et je le tourne d'un demi-tour pour sceller le raccord. Un clic sur l'interrupteur à bascule - et la LED clignotante sur la pompe à essence avec une énorme inscription h3 indique que le ravitaillement a commencé. Une minute - et le réservoir est plein, vous pouvez y aller !

Les contours élégants de la carrosserie, la suspension ultra basse et les slicks à profil bas dégagent une véritable race de course. À travers le couvercle transparent, un réseau complexe de pipelines et de câbles est visible. J'ai déjà vu une solution similaire quelque part... Ah oui, sur l'Audi R8 le moteur est également visible à travers la lunette arrière. Mais chez Audi, c'est de l'essence traditionnelle, et cette voiture fonctionne à l'hydrogène. Comme la BMW Hydrogen 7, mais contrairement à cette dernière, il n’y a pas de moteur à combustion interne. Les seules pièces mobiles sont le mécanisme de direction et le rotor du moteur électrique. Et l’énergie nécessaire est fournie par une pile à combustible. Cette voiture a été produite par la société singapourienne Horizon Fuel Cell Technologies, spécialisée dans le développement et la production de piles à combustible. En 2009, la société britannique Riversimple avait déjà présenté une voiture urbaine à hydrogène alimentée par des piles à combustible Horizon Fuel Cell Technologies. Il a été développé en collaboration avec les universités d'Oxford et de Cranfield. Mais Horizon H-racer 2.0 est un développement solo.

La pile à combustible est constituée de deux électrodes poreuses recouvertes d'une couche de catalyseur et séparées par une membrane échangeuse de protons. L'hydrogène au niveau du catalyseur anodique est converti en protons et en électrons, qui traversent l'anode et un circuit électrique externe jusqu'à la cathode, où l'hydrogène et l'oxygène se recombinent pour former de l'eau.

"Aller!" - le rédacteur en chef me donne un coup de coude à la manière de Gagarine. Mais pas si vite : il faut d’abord « réchauffer » la pile à combustible à charge partielle. Je passe l'interrupteur à bascule en mode « échauffement » et j'attends le temps imparti. Ensuite, au cas où, je remplis le réservoir jusqu’à ce qu’il soit plein. Maintenant, c'est parti : la voiture, le moteur ronronnant doucement, avance. La dynamique est impressionnante, même si, d'ailleurs, que pouvez-vous attendre d'autre d'une voiture électrique : le couple est constant à n'importe quelle vitesse. Mais pas pour longtemps - un réservoir plein d'hydrogène ne dure que quelques minutes (Horizon promet de publier prochainement une nouvelle version, dans laquelle l'hydrogène n'est pas stocké sous forme de gaz sous pression, mais est retenu par un matériau poreux dans l'adsorbeur. ). Et, franchement, ce n'est pas très contrôlé - il n'y a que deux boutons sur la télécommande. Mais en tout cas, c’est dommage qu’il ne s’agisse que d’un jouet radiocommandé, qui nous a coûté 150 dollars. Cela ne nous dérangerait pas de conduire une vraie voiture équipée de piles à combustible pour l'alimentation.

Le réservoir, un récipient en caoutchouc élastique à l'intérieur d'un boîtier rigide, s'étire lors du ravitaillement et fonctionne comme une pompe à carburant, « pressant » l'hydrogène dans la pile à combustible. Afin de ne pas « trop remplir » le réservoir, l'un des raccords est relié par un tube en plastique à la soupape de surpression d'urgence.

Station-essence

Fais le toi-même

La machine Horizon H-racer 2.0 est fournie en kit pour un montage à grande échelle (type bricolage), vous pouvez l'acheter par exemple sur Amazon. Cependant, son assemblage n'est pas difficile : il suffit de mettre la pile à combustible en place et de la fixer avec des vis, de connecter les tuyaux au réservoir d'hydrogène, à la pile à combustible, au goulot de remplissage et à la valve d'urgence, et il ne reste plus qu'à mettre la partie supérieure de la pile à combustible. carrosserie en place, sans oublier les pare-chocs avant et arrière. Le kit comprend une station de remplissage qui produit de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Il est alimenté par deux piles AA, et si vous souhaitez que l'énergie soit complètement « propre », par des panneaux solaires (ils sont également inclus dans le kit).

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Comment fabriquer une pile à combustible de vos propres mains ?

Bien entendu, la solution la plus simple au problème consistant à assurer le fonctionnement constant des systèmes sans carburant consiste à acheter une source d'énergie secondaire prête à l'emploi sur une base hydraulique ou autre, mais dans ce cas, il ne sera certainement pas possible d'éviter des les coûts, et dans ce processus, il est assez difficile d'envisager une idée de fuite de la pensée créatrice. De plus, fabriquer une pile à combustible de vos propres mains n'est pas du tout aussi difficile qu'on pourrait le penser à première vue, et même l'artisan le plus inexpérimenté peut faire face à la tâche s'il le souhaite. De plus, un bonus plus qu'agréable sera le faible coût de création de cet élément, car malgré tous ses avantages et son importance, vous pourrez tout à fait vous contenter des moyens dont vous disposez déjà.

Dans ce cas, la seule nuance qui doit être prise en compte avant de terminer la tâche est que vous pouvez fabriquer de vos propres mains un appareil à consommation extrêmement faible et que la mise en œuvre d'installations plus avancées et complexes doit toujours être laissée à des spécialistes qualifiés. Quant à l'ordre des travaux et à la séquence des actions, la première étape consiste à compléter le corps, pour lequel il est préférable d'utiliser du plexiglas à paroi épaisse (au moins 5 centimètres). Pour coller les parois du boîtier et installer les cloisons internes, pour lesquelles il est préférable d'utiliser du plexiglas plus fin (3 millimètres suffisent), utilisez idéalement de la colle bi-composite, même si si vous le souhaitez vraiment, vous pouvez réaliser vous-même une soudure de haute qualité, en utilisant les proportions suivantes : pour 100 grammes de chloroforme - 6 grammes de copeaux du même plexiglas.

Dans ce cas, le processus doit être effectué exclusivement sous hotte. Afin d'équiper le boîtier du système dit de drainage, il est nécessaire de percer soigneusement un trou traversant dans sa paroi avant, dont le diamètre correspondra exactement aux dimensions du bouchon en caoutchouc, qui sert en quelque sorte de joint entre le boîtier et le tube de vidange en verre. Quant à la taille du tube lui-même, sa largeur devrait idéalement être de cinq à six millimètres, même si tout dépend du type de structure à concevoir. Il est plus probable que l'ancien masque à gaz figurant dans la liste des éléments nécessaires à la fabrication d'une pile à combustible surprendra les lecteurs potentiels de cet article. Pendant ce temps, tout l’avantage de cet appareil réside dans le charbon actif situé dans les compartiments de son respirateur, qui pourra ensuite être utilisé comme électrodes.

Puisque nous parlons d'une consistance pulvérulente, pour améliorer la conception, vous aurez besoin de bas en nylon, à partir desquels vous pourrez facilement fabriquer un sac et y mettre le charbon, sinon il débordera simplement du trou. Quant à la fonction de distribution, la concentration du carburant s'effectue dans la première chambre, tandis que l'oxygène nécessaire au fonctionnement normal de la pile à combustible circulera au contraire dans le dernier, cinquième compartiment. L'électrolyte lui-même, situé entre les électrodes, doit être trempé dans une solution spéciale (essence avec paraffine dans un rapport de 125 à 2 millilitres), et cela doit être fait avant de placer l'électrolyte aérien dans le quatrième compartiment. Pour assurer une bonne conductivité, des plaques de cuivre avec des fils pré-soudés sont posées sur le charbon, à travers lesquelles l'électricité sera transmise depuis les électrodes.

Cette étape de conception peut être considérée en toute sécurité comme l'étape finale, après laquelle l'appareil fini est chargé, pour lequel un électrolyte sera nécessaire. Pour le préparer, vous devez mélanger de l'alcool éthylique avec de l'eau distillée à parts égales et commencer à introduire progressivement du potassium caustique à raison de 70 grammes par verre de liquide. Le premier test de l'appareil fabriqué consiste à remplir simultanément le premier (liquide combustible) et le troisième (électrolyte à base d'alcool éthylique et de potassium caustique) récipients du boîtier en plexiglas.

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Piles à combustible à hydrogène | LAVENT

J'ai longtemps voulu vous parler d'une autre orientation de la société Alfaintek. Il s'agit du développement, de la vente et du service de piles à combustible à hydrogène. Je voudrais immédiatement expliquer la situation de ces piles à combustible en Russie.

En raison du coût assez élevé et de l'absence totale de stations à hydrogène pour recharger ces piles à combustible, leur vente en Russie n'est pas attendue. Néanmoins, en Europe, notamment en Finlande, ces piles à combustible gagnent chaque année en popularité. Quel est le secret ? Jetons un coup d'oeil. Cet appareil est écologique, simple d’utilisation et efficace. Il vient en aide à une personne lorsqu'elle a besoin d'énergie électrique. Vous pouvez l'emporter avec vous sur la route, en randonnée, ou l'utiliser dans votre maison de campagne ou votre appartement comme source d'électricité autonome.

L'électricité dans une pile à combustible est générée par une réaction chimique de l'hydrogène du réservoir avec l'hydrure métallique et l'oxygène de l'air. Le cylindre n’est pas explosif et peut être stocké dans votre placard pendant des années, en attendant. C’est peut-être l’un des principaux avantages de cette technologie de stockage de l’hydrogène. C’est le stockage de l’hydrogène qui constitue l’un des principaux problèmes du développement de l’hydrogène carburant. De nouvelles piles à combustible légères et uniques qui convertissent l’hydrogène en électricité conventionnelle de manière sûre, silencieuse et sans émissions.

Ce type d’électricité peut être utilisé dans des endroits où il n’y a pas d’électricité centrale ou comme source d’énergie de secours.

Contrairement aux batteries conventionnelles, qui doivent être chargées et déconnectées du consommateur électrique pendant le processus de charge, une pile à combustible fonctionne comme un appareil « intelligent ». Cette technologie fournit une alimentation ininterrompue pendant toute la durée d'utilisation grâce à la fonction unique d'économie d'énergie lors du changement du réservoir de carburant, qui permet à l'utilisateur de ne jamais éteindre le consommateur. Dans un boîtier fermé, les piles à combustible peuvent être stockées plusieurs années sans perdre de volume d'hydrogène et réduire leur puissance.

La pile à combustible est conçue pour les scientifiques et les chercheurs, les forces de l'ordre, les secouristes, les propriétaires de bateaux et de marinas, ainsi que toute autre personne ayant besoin d'une source d'alimentation fiable en cas d'urgence. Vous pouvez obtenir du 12 volts ou du 220 volts et vous aurez alors suffisamment d’énergie pour faire fonctionner votre téléviseur, votre chaîne stéréo, votre réfrigérateur, votre cafetière, votre bouilloire, votre aspirateur, votre perceuse, votre microcuisinière et d’autres appareils électriques.

Les piles à combustible hydrocellulaires peuvent être vendues seules ou en batteries de 2 à 4 cellules. Deux ou quatre éléments peuvent être combinés pour augmenter la puissance ou l'ampérage.

DURÉE DE FONCTIONNEMENT DES APPAREILS MÉNAGERS À PILES À COMBUSTIBLE

Appareils électriques	Durée de fonctionnement par jour (min.)	Requis puissance par jour (Wh)	Durée de fonctionnement avec piles à combustible
Appareils électriques	Durée de fonctionnement par jour (min.)	Requis puissance par jour (Wh)
Bouilloire électrique
Machine à café
Microdalle

la télé
1 ampoule 60W
1 ampoule 75W
3 ampoules 60W
Ordinateur portable
Réfrigérateur

Lampe à économie d'énergie

* - opération continue

Les piles à combustible sont entièrement chargées dans des stations à hydrogène spéciales. Mais que se passe-t-il si vous voyagez loin d’eux et qu’il n’y a aucun moyen de recharger ? Surtout pour de tels cas, les spécialistes d'Alfaintek ont développé des cylindres pour stocker l'hydrogène, avec lesquels les piles à combustible fonctionneront beaucoup plus longtemps.

Deux types de bouteilles sont disponibles : NS-MN200 et NS-MN1200. La NS-MN200 assemblée est légèrement plus grande qu'une canette de Coca-Cola, elle contient 230 litres d'hydrogène, ce qui correspond à 40 Ah (12 V), et ne pèse que 2,5 kg. .La bouteille à hydrure métallique NS-MH1200 contient 1 200 litres d'hydrogène, ce qui correspond à 220 Ah (12 V). Le poids du cylindre est de 11 kg.

La technique des hydrures métalliques constitue un moyen sûr et simple de stocker, transporter et utiliser l’hydrogène. Lorsqu’il est stocké sous forme d’hydrure métallique, l’hydrogène se présente sous la forme d’un composé chimique plutôt que sous forme gazeuse. Cette méthode permet d'obtenir une densité énergétique suffisamment élevée. L'avantage de l'utilisation d'hydrure métallique est que la pression à l'intérieur du cylindre n'est que de 2 à 4 bars. Le cylindre n'est pas explosif et peut être stocké pendant des années sans réduire le volume de la substance. Étant donné que l'hydrogène est stocké sous forme d'hydrure métallique, la pureté de l'hydrogène obtenu à partir du cylindre est très élevée, soit 99,999 %. Les bouteilles de stockage d'hydrogène à hydrure métallique peuvent être utilisées non seulement avec les piles à combustible HC 100 200 400, mais également dans d'autres cas où de l'hydrogène pur est nécessaire. Les cylindres peuvent être facilement connectés à une pile à combustible ou à un autre appareil à l'aide d'un connecteur à connexion rapide et d'un tuyau flexible.

Il est dommage que ces piles à combustible ne soient pas vendues en Russie. Mais parmi notre population, il y a tellement de gens qui en ont besoin. Eh bien, nous attendrons de voir, et vous verrez, nous en aurons. En attendant, nous achèterons des ampoules à économie d'énergie imposées par l'État.

P.S. Il semble que le sujet soit finalement tombé dans l’oubli. Tant d’années après la rédaction de cet article, rien n’a été fait. Peut-être que je ne regarde pas partout, bien sûr, mais ce qui attire mon attention ne me plaît pas du tout. La technologie et l’idée sont bonnes, mais elles n’ont pas encore trouvé de développement.

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La pile à combustible est un avenir qui commence aujourd’hui !

Le début du XXIe siècle considère l’écologie comme l’un des défis mondiaux les plus importants. Et la première chose à laquelle il faut prêter attention dans les conditions actuelles est la recherche et l'utilisation de sources d'énergie alternatives. Ce sont eux qui sont capables de prévenir la pollution de notre environnement et d’abandonner complètement la hausse continue des prix des carburants à base d’hydrocarbures.

Aujourd'hui déjà, des sources d'énergie telles que les cellules solaires et les éoliennes ont trouvé des applications. Mais, malheureusement, leur inconvénient est dû à la dépendance à l'égard de la météo, ainsi que de la saison et de l'heure de la journée. Pour cette raison, leur utilisation dans les industries astronautique, aéronautique et automobile est progressivement abandonnée et, pour une utilisation stationnaire, ils sont équipés de sources d'alimentation secondaires - des batteries.

Cependant, la meilleure solution reste la pile à combustible, car elle ne nécessite pas une recharge constante en énergie. Il s'agit d'un appareil capable de traiter et de convertir différents types de carburants (essence, alcool, hydrogène, etc.) directement en énergie électrique.

Une pile à combustible fonctionne selon le principe suivant : le combustible est fourni de l'extérieur, qui est oxydé par l'oxygène, et l'énergie libérée est transformée en électricité. Ce principe de fonctionnement garantit un fonctionnement quasi éternel.

Depuis la fin du XIXe siècle, les scientifiques étudient la pile à combustible elle-même et en développent constamment de nouvelles modifications. Ainsi, aujourd'hui, selon les conditions opératoires, il existe des modèles alcalins ou alcalins (AFC), borohydratés directs (DBFC), électrogalvaniques (EGFC), méthanol direct (DMFC), zinc-air (ZAFC), microbiens (MFC). à base d'acide formique (DFAFC) et d'hydrures métalliques (MHFC) sont également connus.

L’une des plus prometteuses est la pile à combustible à hydrogène. L'utilisation de l'hydrogène dans les centrales électriques s'accompagne d'une libération d'énergie importante, et les rejets d'un tel dispositif sont de la vapeur d'eau pure ou de l'eau potable, ce qui ne présente aucune menace pour l'environnement.

Les tests réussis de piles à combustible de ce type sur des engins spatiaux ont récemment suscité un intérêt considérable parmi les fabricants d'électronique et d'équipements divers. Ainsi, la société PolyFuel a présenté une pile à combustible miniature à hydrogène pour ordinateurs portables. Mais le coût trop élevé d'un tel dispositif et les difficultés de ravitaillement sans entrave limitent sa production industrielle et sa large diffusion. Honda produit également des piles à combustible automobiles depuis plus de 10 ans. Cependant, ce type de transport n'est pas mis en vente, mais uniquement pour l'usage officiel des salariés de l'entreprise. Les voitures sont sous la supervision d'ingénieurs.

Beaucoup de gens se demandent s'il est possible d'assembler une pile à combustible de leurs propres mains. Après tout, un avantage significatif d'un appareil fait maison sera un investissement mineur, contrairement à un modèle industriel. Pour le modèle miniature, vous aurez besoin de 30 cm de fil de nickel platiné, d'un petit morceau de plastique ou de bois, d'un clip pour pile 9 volts et de la pile elle-même, de ruban adhésif transparent, d'un verre d'eau et d'un voltmètre. Un tel appareil vous permettra de voir et de comprendre l'essence du travail, mais, bien entendu, il ne sera pas possible de produire de l'électricité pour la voiture.

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Piles à combustible à hydrogène : un peu d'histoire | Hydrogène

De nos jours, le problème de la pénurie des ressources énergétiques traditionnelles et de la détérioration de l’écologie de la planète dans son ensemble en raison de leur utilisation est particulièrement aigu. C'est pourquoi, récemment, d'importantes ressources financières et intellectuelles ont été consacrées au développement de substituts potentiellement prometteurs aux hydrocarbures. L'hydrogène pourrait devenir un tel substitut dans un avenir très proche, car son utilisation dans les centrales électriques s'accompagne de la libération d'une grande quantité d'énergie et les gaz d'échappement sont de la vapeur d'eau, c'est-à-dire qu'ils ne présentent pas de danger pour l'environnement.

Malgré certaines difficultés techniques qui subsistent dans la mise en œuvre des piles à combustible à base d'hydrogène, de nombreux constructeurs automobiles ont apprécié les promesses de cette technologie et développent déjà activement des prototypes de voitures de série capables d'utiliser l'hydrogène comme carburant principal. En 2001, Daimler AG présentait des modèles conceptuels Mercedes-Benz équipés de centrales à hydrogène. Par ailleurs, la société coréenne Hyndayi a officiellement annoncé qu'elle n'avait plus l'intention de développer des voitures électriques, mais qu'elle concentrerait tous ses efforts sur le développement d'une voiture à hydrogène abordable.

Malgré le fait que l'idée même d'utiliser l'hydrogène comme carburant n'est pas folle pour beaucoup, la plupart n'ont aucune idée du fonctionnement des piles à combustible utilisant l'hydrogène et de ce qu'elles ont de si remarquable.

Pour comprendre l’importance de cette technologie, nous suggérons de regarder l’histoire des piles à combustible à hydrogène.

Le premier à décrire le potentiel de l’utilisation de l’hydrogène dans une pile à combustible fut l’Allemand Christian Friedrich. En 1838, il publia ses travaux dans une célèbre revue scientifique de l'époque.

L'année suivante, un prototype de batterie à hydrogène fonctionnel a été créé par un juge d'Uhls, Sir William Robert Grove. Cependant, la puissance de l'appareil était trop faible, même selon les normes de l'époque, son utilisation pratique était donc hors de question.

Quant au terme « pile à combustible », il doit son existence aux scientifiques Ludwig Mond et Charles Langer, qui tentèrent en 1889 de créer une pile à combustible fonctionnant à l’air et au gaz de cokerie. Selon d'autres sources, le terme a été utilisé pour la première fois par William White Jaques, qui a été le premier à décider d'utiliser l'acide phosphorique dans un électrolyte.

Dans les années 1920, de nombreuses études ont été menées en Allemagne, qui ont abouti à la découverte de piles à combustible à oxyde solide et à des moyens d'utiliser le cycle du carbonate. Il est à noter que ces technologies sont utilisées efficacement à notre époque.

En 1932, l’ingénieur Francis T Bacon a commencé à travailler directement sur les piles à combustible à base d’hydrogène. Avant lui, les scientifiques utilisaient un schéma établi : des électrodes de platine poreuses étaient placées dans de l'acide sulfurique. L'inconvénient évident d'un tel schéma réside tout d'abord dans son coût élevé injustifié dû à l'utilisation du platine. De plus, l’utilisation d’acide sulfurique caustique constituait une menace pour la santé, et parfois même pour la vie, des chercheurs. Bacon a décidé d'optimiser le circuit et a remplacé le platine par du nickel et a utilisé une composition alcaline comme électrolyte.

Grâce à un travail productif pour améliorer sa technologie, Bacon présenta déjà au grand public en 1959 sa pile à combustible à hydrogène originale, qui produisait 5 kW et pouvait alimenter une machine à souder. Il a appelé l'appareil présenté « Bacon Cell ».

En octobre de la même année, un tracteur unique est créé, fonctionnant à l'hydrogène et produisant vingt chevaux.

Dans les années soixante du XXe siècle, la société américaine General Electric a développé le système développé par Bacon et l'a appliqué aux programmes spatiaux Apollo et NASA Gemini. Les experts de la NASA sont arrivés à la conclusion que l'utilisation d'un réacteur nucléaire est trop coûteuse, techniquement difficile et dangereuse. De plus, nous avons dû abandonner l'utilisation de batteries avec des panneaux solaires en raison de leurs grandes dimensions. La solution au problème était les piles à combustible à hydrogène, capables de fournir de l'énergie au vaisseau spatial et à son équipage en eau propre.

Le premier bus utilisant de l’hydrogène comme carburant a été construit en 1993. Et des prototypes de voitures particulières propulsées par des piles à combustible à hydrogène ont été présentés dès 1997 par des marques automobiles mondiales telles que Toyota et Daimler Benz.

Il est un peu étrange qu’un carburant écologique et prometteur, vendu il y a quinze ans dans une voiture, ne soit pas encore largement répandu. Il y a de nombreuses raisons à cela, les principales étant peut-être politiques et les exigences en matière de création d’infrastructures appropriées. Espérons que l'hydrogène aura encore son mot à dire et deviendra un concurrent important des voitures électriques.(odnaknopka)

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Créé le 14/07/2012 20:44 Auteur : Alexey Norkin

Notre société matérielle sans énergie ne peut pas seulement se développer, mais même exister. D'où vient l'énergie ? Jusqu'à récemment, les gens n'utilisaient qu'un seul moyen pour l'obtenir : nous luttions contre la nature, brûlant les trophées obtenus dans les fours des foyers d'abord, puis dans les locomotives à vapeur et dans les puissantes centrales thermiques.

Il n'y a pas d'étiquette sur les kilowattheures consommés par l'homme moderne moyen qui indiquerait combien d'années la nature a travaillé pour que l'homme civilisé puisse profiter des avantages de la technologie, et combien d'années il lui reste encore à travailler pour réparer les dommages causés à l'homme. elle par une telle civilisation. Cependant, la société comprend de plus en plus que tôt ou tard cette idylle illusoire prendra fin. De plus en plus, les gens inventent des moyens de fournir de l’énergie pour répondre à leurs besoins en minimisant les dommages causés à la nature.

Les piles à combustible à hydrogène sont le Saint Graal de l’énergie propre. Ils traitent l’hydrogène, l’un des éléments communs du tableau périodique, et ne libèrent que de l’eau, la substance la plus répandue sur la planète. Ce tableau rose est gâché par le manque d’accès des populations à l’hydrogène en tant que substance. Il y en a beaucoup, mais seulement à l'état lié, et son extraction est beaucoup plus difficile que de pomper du pétrole des profondeurs ou d'extraire du charbon.

L’une des options pour une production d’hydrogène propre et respectueuse de l’environnement est la pile à combustible microbienne (MTB), qui utilise des micro-organismes pour décomposer l’eau en oxygène et en hydrogène. Ici non plus, tout ne se passe pas bien. Les microbes font un excellent travail en produisant du carburant propre, mais pour atteindre l'efficacité requise dans la pratique, le MTB nécessite un catalyseur qui accélère l'une des réactions chimiques du processus.

Ce catalyseur est le platine, un métal précieux dont le coût rend l'utilisation du MTB économiquement injustifiée et pratiquement impossible.

Des scientifiques de l'Université du Wisconsin-Milwaukee ont trouvé un substitut au coûteux catalyseur. Au lieu du platine, ils ont proposé d'utiliser des nanotiges bon marché fabriquées à partir d'une combinaison de carbone, d'azote et de fer. Le nouveau catalyseur est constitué de tiges de graphite avec de l'azote incorporé dans la couche superficielle et de noyaux en carbure de fer. Au cours des trois mois de tests du nouveau produit, le catalyseur a démontré des capacités supérieures à celles du platine. Le fonctionnement des nanorodes s'est avéré plus stable et contrôlable.

Et surtout, l’idée originale des scientifiques universitaires est beaucoup moins chère. Ainsi, le coût des catalyseurs au platine représente environ 60 % du coût du MTB, tandis que le coût des nanotiges se situe à moins de 5 % de leur prix actuel.

Selon le créateur des nanotiges catalytiques, le professeur Junhong Chen : « Les piles à combustible peuvent convertir directement le carburant en électricité. Ensemble, l’énergie électrique provenant de sources renouvelables peut être acheminée là où elle est nécessaire, de manière propre, efficace et durable.

Le professeur Chen et son équipe de chercheurs étudient désormais les caractéristiques exactes du catalyseur. Leur objectif est de donner à leur invention une dimension pratique, de la rendre adaptée à une production et une utilisation de masse.

Basé sur des matériaux de Gizmag

www.facepla.net

Piles à combustible à hydrogène et systèmes énergétiques

Une voiture à eau pourrait bientôt devenir une réalité et des piles à combustible à hydrogène seront installées dans de nombreux foyers...

La technologie des piles à combustible à hydrogène n’est pas nouvelle. Tout a commencé en 1776, lorsque Henry Cavendish a découvert pour la première fois l’hydrogène en dissolvant des métaux dans des acides dilués. La première pile à combustible à hydrogène a été inventée dès 1839 par William Grove. Depuis, les piles à combustible à hydrogène ont été progressivement améliorées et sont désormais installées dans les navettes spatiales, leur fournissant de l'énergie et servant de source d'eau. Aujourd’hui, la technologie des piles à combustible à hydrogène est sur le point d’atteindre le marché de masse, dans les voitures, les maisons et les appareils portables.

Dans une pile à combustible à hydrogène, l’énergie chimique (sous forme d’hydrogène et d’oxygène) est convertie directement (sans combustion) en énergie électrique. Une pile à combustible se compose d'une cathode, d'électrodes et d'une anode. L'hydrogène est acheminé vers l'anode, où il est séparé en protons et électrons. Les protons et les électrons empruntent des chemins différents vers la cathode. Les protons traversent l’électrode jusqu’à la cathode et les électrons contournent les piles à combustible pour atteindre la cathode. Ce mouvement crée ensuite une énergie électrique utilisable. De l’autre côté, les protons et les électrons de l’hydrogène se combinent avec l’oxygène pour former de l’eau.

Les électrolyseurs sont un moyen d’extraire l’hydrogène de l’eau. Le processus est fondamentalement à l’opposé de ce qui se passe avec une pile à combustible à hydrogène. L'électrolyseur se compose d'une anode, d'une cellule électrochimique et d'une cathode. L'eau et la tension sont appliquées à l'anode, qui divise l'eau en hydrogène et oxygène. L'hydrogène traverse la cellule électrochimique jusqu'à la cathode et l'oxygène est fourni directement à la cathode. De là, l’hydrogène et l’oxygène peuvent être extraits et stockés. Lorsqu'il n'est pas nécessaire de produire de l'électricité, le gaz accumulé peut être retiré de l'installation de stockage et renvoyé à travers la pile à combustible.

Ce système utilise de l’hydrogène comme carburant, ce qui explique probablement pourquoi de nombreux mythes circulent sur sa sécurité. Après l'explosion du Hindenburg, de nombreuses personnes éloignées de la science et même certains scientifiques ont commencé à croire que l'utilisation de l'hydrogène est très dangereuse. Cependant, des recherches récentes ont montré que la cause de cette tragédie était liée au type de matériau utilisé dans la construction, et non à l'hydrogène pompé à l'intérieur. Après avoir testé la sécurité du stockage de l’hydrogène, il a été constaté que le stockage de l’hydrogène dans des piles à combustible est plus sûr que le stockage de l’essence dans le réservoir d’une voiture.

Combien coûtent les piles à combustible à hydrogène modernes ? Les entreprises proposent actuellement des systèmes de carburant à hydrogène qui produisent de l’électricité pour environ 3 000 dollars le kilowatt. Des études de marché ont établi que lorsque le coût tombera à 1 500 dollars le kilowatt, les consommateurs du marché de masse de l'énergie seront prêts à passer à ce type de carburant.

Les véhicules à pile à hydrogène restent plus chers que les véhicules à moteur à combustion interne, mais les constructeurs étudient les moyens de ramener les prix à des niveaux comparables. Dans certaines zones reculées où il n’y a pas de lignes électriques, utiliser l’hydrogène comme carburant ou alimenter sa maison de manière indépendante peut être plus économique à l’heure actuelle que, par exemple, construire des infrastructures pour les sources d’énergie traditionnelles.

Pourquoi les piles à combustible à hydrogène ne sont-elles pas encore largement utilisées ? À l’heure actuelle, leur coût élevé constitue le principal problème pour la diffusion des piles à combustible à hydrogène. Les systèmes à carburant à hydrogène ne rencontrent tout simplement pas de demande massive pour le moment. Cependant, la science ne s’arrête pas et, dans un avenir proche, une voiture fonctionnant à l’eau pourrait devenir une réalité.

www.tesla-tehnika.biz

Préparez tout ce dont vous avez besoin. Pour fabriquer une simple pile à combustible, vous aurez besoin de 12 pouces de fil de platine ou recouvert de platine, d'un bâton de glace, d'une pile de 9 volts et d'un support de pile, de ruban adhésif transparent, d'un verre d'eau, de sel de table (facultatif), d'un métal fin. tige et un voltmètre.

Une pile de 9 volts et un support de pile peuvent être achetés dans un magasin d'électronique ou de quincaillerie.

Coupez deux morceaux de 15 centimètres de long dans du fil de platine ou recouvert de platine. Le fil de platine est utilisé à des fins spéciales et peut être acheté dans un magasin d'électronique. Il servira de catalyseur à la réaction.

Enroulez des morceaux de fil autour d’une fine tige métallique pour créer la forme de ressorts. Ce seront les électrodes de la pile à combustible. Saisissez l'extrémité du fil et enroulez-le fermement autour de la tige pour créer un ressort hélicoïdal. Retirez le premier fil de la tige et enroulez le deuxième morceau de fil.

Vous pouvez utiliser un clou, un cintre ou une sonde de testeur comme tige pour enrouler le fil.

Coupez les fils du support de batterie en deux. Prenez les pinces coupantes, coupez les deux fils attachés au support en deux et retirez-en l'isolant. Vous attacherez ces fils nus aux électrodes.

À l’aide de la partie appropriée de la pince coupante, dénudez l’isolant des extrémités du fil. Dénudez les extrémités des fils que vous avez coupés du support de batterie.
Coupez le fil sous la surveillance d'un adulte.

Fixez les extrémités des fils, dénudées de leur isolant, aux électrodes. Connectez les fils aux électrodes afin de pouvoir ensuite connecter une source d'alimentation (support de batterie) et un voltmètre pour déterminer la quantité de tension produite par la pile à combustible.

Torsadez le fil rouge du support de batterie et le fil rouge coupé autour de l'extrémité supérieure de l'une des bobines de fil, en laissant la majeure partie libre.
Enroulez l'extrémité supérieure de la deuxième bobine avec le fil noir du support de batterie et le fil noir coupé.

Fixez les électrodes à un bâton de glace ou à une tige en bois. Le bâtonnet de glace doit être plus long que le goulot du verre d'eau afin qu'il puisse reposer dessus. Collez les électrodes pour qu'elles pendent du bâton et tombent dans l'eau.

Vous pouvez utiliser du ruban adhésif transparent ou du ruban isolant. L'essentiel est que les électrodes soient solidement fixées au bâton.

Versez de l'eau du robinet ou de l'eau salée dans un verre. Pour que la réaction se produise, l’eau doit contenir des électrolytes. L'eau distillée ne convient pas pour cela, car elle ne contient pas d'impuretés pouvant servir d'électrolytes. Pour que la réaction chimique se déroule normalement, vous pouvez dissoudre du sel ou du bicarbonate de soude dans l'eau.

L'eau du robinet ordinaire contient également des impuretés minérales, elle peut donc être utilisée comme électrolyte si vous n'avez pas de sel sous la main.
Ajoutez du sel ou du bicarbonate de soude à raison d'une cuillère à soupe (20 grammes) par verre d'eau. Remuez l'eau jusqu'à ce que le sel ou le bicarbonate de soude soit complètement dissous.

Placez un bâton avec des électrodes sur le col d'un verre d'eau. Dans ce cas, les électrodes en forme de ressorts métalliques doivent être immergées sous l'eau sur la majeure partie de leur longueur, à l'exception des contacts avec les fils du support de pile. Seul le fil de platine doit être immergé.

Si nécessaire, fixez le bâton avec du ruban adhésif pour maintenir les électrodes dans l'eau.

Connectez les fils provenant des électrodes à un voltmètre ou une ampoule LED.À l'aide d'un voltmètre, vous pouvez déterminer la tension produite par la pile à combustible activée. Connectez le fil rouge à la borne positive et le fil noir à la borne négative du voltmètre.

A ce stade, le voltmètre peut afficher une petite valeur, par exemple 0,01 volt, même si la tension à ses bornes doit être nulle.
Vous pouvez également connecter une petite ampoule, comme une lampe de poche ou une LED.

Histoire

Le premier élément a été fabriqué, semble-t-il, à partir de la mine d'un simple crayon russe (c'est important), et le corps était un bouchon de bière. Tout cela était chauffé sur la cuisinière. L'électrolyte était de la poudre de cure-pipe Digger, qui est du NaOH selon l'étiquette. Depuis que j'ai réussi à obtenir du courant, j'ai pensé qu'un tel élément pourrait peut-être vraiment fonctionner. Les boîtes de conserve ont commencé à fuir au niveau des joints (la soudure était corrodée par l’alcali), et je ne me souviens même pas des résultats. Pour une expérience plus sérieuse, j'ai acheté un mastodonte en acier inoxydable. Cependant, rien n’a fonctionné avec elle. Non seulement la tension n’était que de 0,5 volt, mais elle était également dirigée dans la mauvaise direction. Il s'est également avéré que les charbons des crayons aiment vraiment s'effondrer en leurs composants. Apparemment, ils ne sont pas fabriqués à partir d'un cristal de graphite solide, mais sont collés ensemble à partir de poussière. Le même sort est arrivé aux tiges des piles AA. Nous avons également acheté des balais de certains moteurs électriques, mais les endroits où le fil d'alimentation pénètre dans le balai sont rapidement devenus inutilisables. De plus, une paire de brosses s'est avérée contenir du cuivre ou un autre métal (cela arrive avec les brosses).

En me grattant fermement la tête, j'ai décidé que pour des raisons de fiabilité, il serait préférable de fabriquer le récipient en argent et en charbon en utilisant la technologie décrite par Jaco, c'est-à-dire le frittage. L'argent coûte modérément (les prix fluctuent, mais autour de 10 à 20 roubles par gramme). J'ai rencontré du thé qui coûte beaucoup plus cher.

On sait que l'argent est stable dans le NaOH fondu, tandis que le fer donne des ferrates, par exemple Na2FeO4. Le fer ayant généralement une valence variable, ses ions peuvent provoquer un « court-circuit » dans l’élément, du moins en théorie. Par conséquent, j'ai décidé de vérifier d'abord le cas de l'argent, car il est plus simple. Tout d'abord, une cuillère plaquée argent en cupronickel a été achetée et, lorsqu'elle a été testée avec des pinceaux, elle s'est immédiatement avérée être 0,9 V d'un circuit ouvert avec la polarité requise, ainsi qu'un courant assez important. Par la suite (pas en pratique, mais en théorie), il s'est avéré que l'argent peut également se dissoudre dans les alcalis en présence de peroxyde de sodium Na2O2, qui se forme en certaines quantités lorsque l'air est soufflé. Je ne sais pas si cela se produit dans l'élément ou si l'argent est en sécurité sous la protection du carbone.

La cuillère n'a pas duré longtemps. La couche d’argent a gonflé et a cessé de fonctionner. Le cupronickel est instable aux alcalis (comme la plupart des matériaux existants dans le monde). Après cela, j'ai fabriqué une tasse spéciale à partir d'une pièce d'argent, qui produisait une puissance record de 0,176 watts.

Tout cela se faisait dans un appartement de ville ordinaire, dans la cuisine. Je n'ai jamais été gravement brûlé, je n'ai pas allumé de feu et j'ai renversé une seule fois de la lessive fondue sur la cuisinière (l'émail s'est immédiatement corrodé). L'outil le plus simple a été utilisé. Si vous parvenez à découvrir le type de fer correct et la composition correcte de l'électrolyte, alors tout homme pas si sans bras peut fabriquer un tel élément sur son genou.

En 2008, plusieurs « bons types de fer » ont été identifiés. Par exemple, l'acier inoxydable de qualité alimentaire, les boîtes de conserve, les aciers électriques pour circuits magnétiques, ainsi que les aciers à faible teneur en carbone - st1ps, st2ps. Moins il y a de carbone, meilleures sont les performances. L'acier inoxydable semble fonctionner moins bien que le fer pur (d'ailleurs, il est beaucoup plus cher). La « tôle norvégienne », également connue sous le nom de suédois, est du fer fabriqué à partir de charbon de bois en Suède et ne contenant pas plus de 0,04 % de carbone. Actuellement, une telle faible teneur en carbone ne peut être trouvée que dans les aciers électriques. Il est probablement préférable de fabriquer des tasses en estampant à partir de tôle d'acier électrique.

Fabriquer une coupe en argent

En 2008, il s’est avéré que la coupe en fer fonctionnait aussi bien, j’enlève donc tout ce qui touche la coupe en argent. C'était intéressant, mais ce n'est plus d'actualité.

Vous pouvez essayer d'utiliser du graphite. Mais je n'ai pas eu le temps. J'ai demandé au chauffeur une superposition pour les klaxons du trolleybus, mais c'était déjà la fin de mon épopée expérimentale. Vous pouvez également essayer les balais des moteurs, mais ils sont souvent fabriqués en cuivre, ce qui viole la pureté de l'expérience. J'avais deux options pour les pinceaux, l'une s'est avérée être en cuivre. Les crayons ne produisent aucun résultat car ils ont une petite surface et il est difficile de tirer du courant. Les tiges de batterie s'effondrent dans l'alcali
(il arrive quelque chose au classeur). D'une manière générale, le graphite est le pire combustible pour l'élément car... c'est le plus résistant chimiquement. C’est pourquoi nous fabriquons l’électrode « honnêtement ». On prend du charbon de bois (j'ai acheté du charbon de bouleau pour les barbecues au supermarché), on le broie le plus finement possible (je l'ai d'abord broyé dans un mortier en porcelaine, puis j'ai acheté un moulin à café). Dans l'industrie, les électrodes sont fabriquées à partir de plusieurs fractions de charbon, en les mélangeant les unes aux autres. Rien ne vous empêche de faire de même. La poudre est cuite pour augmenter la conductivité électrique : elle doit être chauffée pendant plusieurs minutes à la température la plus élevée possible (1000 ou plus). Naturellement, sans accès aérien.

Pour cela, j'ai fabriqué une forge à partir de deux boîtes de conserve emboîtées l'une dans l'autre. Des morceaux d'argile sèche sont empilés entre eux pour l'isolation thermique. Le fond des deux boîtes est perforé pour laisser de la place à l'air pour souffler. Le pot intérieur est rempli de charbons (qui servent de combustible), parmi lesquels est placée une boîte en métal - un "creuset", je l'ai également roulé en fer blanc à partir d'une boîte de conserve. De la poudre de charbon enveloppée dans un sac en papier est introduite dans la boîte. Il doit y avoir un espace entre le paquet de charbon et les parois du « creuset ». Il est recouvert de sable pour empêcher l'air d'entrer. Les charbons sont allumés, puis soufflés à travers les trous du fond avec un sèche-cheveux ordinaire. Tout cela présente un risque d'incendie - des étincelles volent. Vous avez besoin de lunettes de sécurité et vous devez également vous assurer qu'il n'y a pas de rideaux, de barils d'essence ou d'autres risques d'incendie à proximité. Il vaudrait mieux, dans le bon sens, faire de telles choses quelque part sur une pelouse verte pendant la saison des pluies (entre les pluies). Désolé, mais je suis trop paresseux pour dessiner toute cette structure. Je pense que tu peux deviner sans moi.

Ensuite, une certaine quantité de sucre est ajoutée à la poudre brûlée par les yeux (probablement d'un tiers à la moitié). C'est le classeur. Ensuite - un peu d'eau (quand mes mains étaient sales et trop paresseuses pour ouvrir le robinet, j'ai juste craché dedans et j'ai ajouté de la bière à la place de l'eau, je ne sais pas à quel point c'est important ; il est fort possible que la matière organique soit importante. Tout cela est soigneusement mélangé dans du mortier. Le résultat devrait être une masse plastique. À partir de cette masse, vous devez former une électrode. Mieux vous la comprimez, mieux c'est. J'ai pris un morceau de tube bouché et j'ai martelé le charbon dans le tube avec un tube plus petit, à l'aide d'un marteau. Pour que le produit ne se désagrège pas lorsqu'on le retire du tube, avant le rembourrage, plusieurs bords en papier ont été insérés dans le tube. Le bouchon doit être amovible, et encore mieux, si le tube est scié dans le sens de la longueur. et connecté avec des pinces. Ensuite, après avoir appuyé sur, vous pouvez simplement déconnecter les pinces et obtenir le flan de charbon sain et sauf. Dans le cas d'un bouchon amovible, vous devrez extraire la pièce finie de
tuyaux (dans ce cas, ils peuvent s'effondrer). Mon charbon avait un diamètre de 1,2 à 1,5 cm et une longueur de 4 à 5 cm.

La forme finie est séchée. Pour ce faire, j'ai allumé la cuisinière à gaz à feu très doux, j'ai placé une boîte de conserve vide à l'envers et j'ai mis un charbon au fond. Le séchage doit être suffisamment lent pour que la vapeur d'eau ne déchire pas la pièce. Une fois toute l’eau évaporée, le sucre commencera à « bouillir ». Il se transformera en caramel et collera les morceaux de charbon ensemble.

Après refroidissement, vous devez percer un trou rond longitudinal (le long de son axe de symétrie) dans le charbon dans lequel l'électrode de décharge sera insérée. Le diamètre du trou - je ne m'en souviens pas, je pense que c'était 4 mm. Avec cette procédure, tout peut déjà être couvert, car la structure est fragile. J'ai d'abord percé avec une perceuse de 2 mm, puis je l'ai soigneusement (à la main) élargi avec des perceuses de 3 mm et 4 mm, voire une lime aiguille, je ne me souviens plus exactement. En principe, ce trou peut être réalisé dès la phase de moulage. Mais ça -
nuances.

Une fois que tout est séché et percé, vous devez le tirer. L'idée générale est qu'avec une augmentation de température assez douce, vous devez soumettre le charbon à un chauffage fort et uniforme sans accès à l'air pendant un certain temps (environ 20 minutes). Vous devez le réchauffer progressivement et le refroidir également. Température - plus elle est élevée, mieux c'est. De préférence plus de 1000. J'avais
chauffage du fer orange (plus proche du blanc) dans une forge de fortune. Les électrodes industrielles sont cuites pendant plusieurs jours, avec un apport et une évacuation de chaleur très fluides. Après tout, il s’agit essentiellement de céramique, qui est fragile. Je ne peux pas garantir que le charbon ne se fissurera pas. J'ai tout fait à l'œil nu. Certains charbons se craquaient immédiatement après utilisation.

Voilà, le charbon est prêt. Il doit avoir le moins de résistance possible. Lors de la mesure de la résistance, vous ne devez pas toucher le charbon avec les aiguilles du testeur, mais prendre deux fils toronnés, les appuyer contre les côtés du charbon (pas contre les extrémités de la tige, mais simplement le long du diamètre) et appuyer fermement avec vos doigts (juste pour ne pas craquer), voir la figure, sur la figure la masse amorphe rose est constituée de doigts serrant les brins de fil.

Si la résistance est de 0,3 à 0,4 ohms (c'était à la limite de la sensibilité de mon testeur), alors c'est un bon charbon. Si c'est plus de 2-3 ohms, alors c'est mauvais (la densité de puissance sera faible). Si le charbon ne parvient pas, vous pouvez répéter la cuisson.

Après cuisson, nous fabriquons une électrode de décharge. C'est une bande d'argent ou du fer - 2008 longueur égale à deux fois ou légèrement inférieure à la longueur du charbon,
largeur - deux diamètres de trou. Épaisseur - disons 0,5 mm. À partir de là, vous devez enrouler un cylindre dont le diamètre extérieur est égal à
diamètre du trou. Mais le cylindre ne fonctionnera pas, car la largeur est trop petite, il s'agira d'un cylindre avec une fente longitudinale. Cette fente est importante pour compenser la dilatation thermique. Si vous fabriquez un cylindre plein, l'argent fera éclater le charbon lorsqu'il sera chauffé.
Nous insérons le « cylindre » dans le charbon. Vous devez vous assurer qu'il s'insère bien dans le trou. Il y a deux côtés à cela : trop de force brisera le charbon ; trop peu de force n'établira pas suffisamment de contact (c'est très important). Voir l'image.

Ce design n’est pas né tout de suite, il me semble plus parfait que ces pinces dessinées dans le brevet de Jaco. Premièrement, avec un tel contact, le courant ne circule pas le long du rayon du charbon cylindrique, ce qui peut réduire considérablement les pertes électriques. Deuxièmement, les métaux ont un coefficient de dilatation thermique plus élevé que le charbon, de sorte que le contact du charbon avec la pince métallique s'affaiblit lorsqu'il est chauffé. Dans mon cas, le contact renforce ou maintient sa force. Troisièmement, si l'électrode de décharge n'est pas en argent, le carbone la protège de l'oxydation. Dépêchez-vous et donnez-moi un brevet !

Vous pouvez maintenant mesurer à nouveau la résistance ; l’un des pôles sera l’électrode conductrice de courant. À propos, mon testeur a 0,3 ohms - c'est déjà la limite de sensibilité, il est donc préférable de faire passer un courant d'une tension connue et de mesurer sa force.

Arrivée d'air

Nous prenons une tige d'acier d'un stylo à bille de grande capacité. De préférence vide. Nous en retirons le bloc avec la balle - il ne reste qu'un tube de fer. Nous retirons soigneusement la pâte restante (je ne l’ai pas très bien fait et la pâte s’est carbonisée par la suite, ce qui nous a rendu la vie difficile). Tout d'abord, cela se fait avec de l'eau, puis il est préférable d'allumer la tige plusieurs fois dans la flamme du brûleur. L'encre va pyrolyser, laissant derrière elle du carbone qui peut être retiré.

Ensuite, nous trouvons un autre tube pour relier cette tige (elle sera chaude) avec un tube en PVC provenant du compresseur de l'aquarium, qui sert à conditionner les poissons. Tout devrait être assez serré. Nous mettons un collier réglable sur le tuyau en PVC, car même le compresseur le plus faible produit trop d'air. Idéalement, il faut fabriquer un tube en argent, pas en acier, et j'ai même réussi, mais je n'ai pas pu assurer une connexion étanche entre le tube en argent et la conduite en PVC. Les tubes intermédiaires ont fortement empoisonné l'air (à cause des mêmes écarts thermiques), j'ai donc finalement opté pour une tige d'acier. Bien sûr, ce problème peut être résolu, mais il vous suffisait d'y consacrer du temps et des efforts et de choisir le combiné approprié à la situation. En général, dans cette partie, je me suis largement écarté du brevet de Jaco. Je ne pouvais pas faire une rose comme celle qu’il a peinte (et pour être honnête, je n’ai pas assez bien regardé son design à l’époque).

Ici, cela vaut la peine de faire une brève digression et d'expliquer comment Jaco a mal compris le travail de son élément. De toute évidence, l'oxygène prend une forme ionique quelque part au niveau de la cathode, selon la formule O2 + 4e- = 2O2-, ou une réaction similaire dans laquelle l'oxygène est réduit et se combine avec quelque chose. Autrement dit, il est important d’assurer un triple contact entre l’air, l’électrolyte et la cathode. Cela peut se produire lorsque des bulles d'air entrent en contact avec le métal de l'atomiseur et l'électrolyte. Autrement dit, plus le périmètre total de tous les trous de l’atomiseur est grand, plus le courant doit être important. De plus, si vous réalisez une tasse avec des bords inclinés, la triple surface de contact peut également augmenter, voir fig.

Une autre option consiste à réduire l’oxygène dissous au niveau de la cathode. Dans ce cas, la triple surface de contact n'est pas particulièrement importante, mais il suffit de maximiser la surface des bulles pour accélérer la dissolution de l'oxygène. Certes, dans ce cas, on ne comprend pas pourquoi l'oxygène dissous n'oxyde pas le charbon directement, sans réaction électrochimique (travaillant en « contournant » le circuit électrique). Apparemment, dans ce cas, les propriétés catalytiques du matériau de la coupelle sont importantes. OK, ce sont toutes les paroles. Dans tous les cas, vous devez diviser le flux en petites bulles. Les tentatives que j’ai faites dans ce sens n’ont pas été particulièrement fructueuses.

Pour ce faire, il fallait faire des trous minces, ce qui posait beaucoup de problèmes.

Premièrement, les trous minces se bouchent rapidement, car... le fer se corrode, la rouille et les résidus de charbon (rappelez-vous qu'il y avait autrefois de la pâte à stylo) tombent de la tige et bouchent les trous.
Deuxièmement, les trous sont de taille inégale et il est difficile de faire circuler l'air simultanément de tous les trous.
Troisièmement, si deux trous sont situés à proximité, les bulles ont alors tendance à fusionner avant de se briser.
Quatrièmement, le compresseur fournit de l'air de manière inégale, ce qui affecte également d'une manière ou d'une autre la taille des bulles (apparemment, une bulle éclate d'un seul coup). Tout cela peut être facilement observé en versant de l'eau dans un pot transparent et en testant le pulvérisateur. Bien sûr, l'alcali a une viscosité et un coefficient de tension superficielle différents, vous devez donc agir au hasard. Je n’ai jamais pu surmonter ces problèmes et, en plus, le problème des fuites d’air dues aux écarts thermiques. En raison de ces fuites, le pulvérisateur n'a pas pu commencer à fonctionner, car cela nécessite de surmonter les forces de tension superficielle. C’est ici que les défauts des pinces sont devenus pleinement apparents. Peu importe la façon dont vous les serrez, ils se desserrent lorsqu’ils sont chauffés. En conséquence, je suis passé à un simple atomiseur à stylo à bille, qui ne donnait qu'un seul jet de bulles. Apparemment, pour le faire de manière normale, vous devez soigneusement éliminer les fuites, fournir de l'air sous une pression importante (supérieure à celle créée par un compresseur d'aquarium) et à travers de petits trous.

Cette partie du design est franchement mal élaborée...

Assemblée

Tous. Rassemblons tout cela. Vous devez tout installer sur les pinces pour que
1. Il n’y a eu aucun court-circuit dans la structure porteuse.
2. Le charbon n'a pas touché le tube soufflant de l'air ni les parois
tasse. Ce sera difficile, car les espaces sont petits, les pinces sont fragiles et l'alcali gargouillera lorsque l'élément fonctionnera. La force d'Archimède agira également, qui déplacera tout là où cela n'est pas nécessaire, ainsi que la force de tension superficielle, attirant le charbon vers d'autres objets. L'argent deviendra mou lorsqu'il sera chauffé. Par conséquent, à la fin, j'ai tenu le charbon avec une pince par l'extrémité de l'électrode de décharge. C'était mauvais. Pour un fonctionnement normal, vous devez toujours fabriquer un couvercle (apparemment, uniquement en porcelaine - l'argile s'imprègne d'alcali et perd de sa résistance, vous pouvez peut-être utiliser de l'argile cuite). L'idée de la fabrication de ce couvercle est dans le brevet de Jaco. L'essentiel est qu'il retienne assez bien le charbon, car... même avec un léger désalignement, il touchera le fond de la tasse. Pour ce faire, il doit avoir une grande hauteur. Je n'ai pas réussi à trouver un tel couvercle en porcelaine, ni à en fabriquer un en céramique à partir d'argile (tout ce que j'ai essayé de fabriquer à partir d'argile s'est rapidement fissuré, apparemment je l'ai mal cuit d'une manière ou d'une autre). La seule petite astuce est d'utiliser une couverture métallique et une couche d'argile même mal cuite comme isolant thermique. Ce chemin n'est pas non plus si facile.

En bref, la conception de mes éléments ne valait également rien.

C’est aussi une bonne idée de préparer un outil qui peut être utilisé pour récupérer un morceau de charbon qui pourrait tomber de l’électrode et tomber dans l’alcali. Un morceau de charbon peut tomber et tomber dans l'alcali, il y aura alors un court-circuit. Comme tel outil, j'avais un clip en acier plié, que je tenais avec une pince. Nous connectons les fils - l'un à la poignée, l'autre à l'électrode de sortie. Vous pouvez le souder, même si j'ai utilisé deux plaques de métal et les ai vissées ensemble avec des vis (toutes issues d'un jeu de construction métallique pour enfants). L'essentiel est de comprendre que toute la structure fonctionne à basse tension et que toutes les connexions doivent être bien faites. On mesure la résistance en l'absence d'électrolyte entre les électrodes - on s'assure qu'elle est élevée (au moins 20 Ohms). Nous mesurons la résistance de toutes les connexions et veillons à ce qu'elles soient petites. Nous assemblons un circuit avec une charge. Par exemple, une résistance de 1 Ohm et un ampèremètre connectés en série. Les testeurs ont une faible résistance ampèremétrique uniquement en mode unités de mesure en ampères, il est conseillé de se renseigner à l'avance. Vous pouvez soit activer le mode de changement d'unité d'ampère (le courant sera de 0,001 à 0,4 A), soit au lieu d'un ampèremètre connecté en série, allumer un voltmètre en parallèle (la tension sera de 0,2 à 0,9 V). Il est souhaitable de permettre de modifier les conditions au cours de l'expérience afin de mesurer la tension en circuit ouvert, le courant de court-circuit et le courant avec une charge de 1 ohm. Il est préférable que la résistance puisse également être modifiée : 0,5 ohm, 1 ohm et 2 ohm pour trouver celle à laquelle la puissance maximale sera atteinte.

Nous allumons le compresseur de l'aquarium et resserrons la pince pour que l'air coule à peine (et, en passant, la fonctionnalité du pipeline d'alimentation doit être vérifiée en le plongeant dans l'eau. Puisque la densité de l'alcali est de 2,7, il doit être immergé à une profondeur suffisamment grande. Une étanchéité totale n'est pas nécessaire, l'essentiel est que même à une telle profondeur, quelque chose gargouille à l'extrémité du tube.

Des mesures de précaution

Vient ensuite le travail avec un alcali fondu. Comment puis-je expliquer ce qu’est un fondant alcalin ? Avez-vous du savon dans les yeux ? C'est désagréable, n'est-ce pas ? Ainsi, le NaOH fondu est aussi du savon, chauffé seulement à 400 degrés et des centaines de fois plus caustique.

Des mesures de protection lors du travail avec des alcalis fondus sont strictement requises !

Tout d'abord, De bonnes lunettes de sécurité sont strictement nécessaires. Je suis myope, je portais donc deux lunettes : des lunettes de sécurité en plastique sur le dessus et du verre en dessous. Les lunettes de sécurité doivent protéger contre les éclaboussures non seulement de l'avant, mais aussi des côtés. Je me sentais en sécurité dans de telles munitions. Malgré les lunettes de sécurité, il est déconseillé d'approcher le visage de l'appareil.

En plus de vos yeux, vous devez également protéger vos mains. J'ai tout fait très soigneusement, donc à la fin j'ai compris et j'ai travaillé en T-shirt. Ceci est utile, car les plus petites éclaboussures d'alcali qui tombent parfois sur vos mains provoquent une brûlure qui ne vous permet pas d'oublier pendant plusieurs jours à quelle substance vous avez affaire.

Mais bien sûr, j’avais des gants sur les mains. Tout d'abord, ceux en caoutchouc (pas les plus fins), et au-dessus d'eux - des boutons de chiffon boutonneux qui dépassent du dos de la paume. Je les ai humidifiés avec de l'eau pour pouvoir manipuler des objets chauds. Avec une telle paire de gants, vos mains sont plus ou moins protégées. Mais tu dois t’assurer que les gants extérieurs ne sont jamais trop mouillés. Une goutte d'eau tombant dans l'électrolyte bout instantanément et l'électrolyte éclabousse très bien. Si cela se produit (et cela m'est arrivé trois fois), des problèmes respiratoires surviennent. Dans ces cas-là, j'ai immédiatement retenu mon souffle sans terminer l'inspiration (la pratique du kayak permet de ne pas paniquer dans de telles situations), et je suis sorti de la cuisine le plus rapidement possible.

En général, pour protéger le système respiratoire, une bonne ventilation est nécessaire pendant l’expérience. Dans mon cas, ce n'était qu'un brouillon (c'était en été). Mais idéalement, ce devrait être une hotte ou en plein air.

Comme les éclaboussures de lessive sont inévitables, tout ce qui se trouve à proximité immédiate de la tasse est recouvert d'une certaine quantité de lessive. Si vous le manipulez à mains nues, vous risquez de vous brûler. Il est nécessaire de tout laver après avoir terminé l'expérience, y compris les gants.

En cas de brûlure, j'avais toujours à proximité un récipient d'eau et un récipient de vinaigre dilué pour neutraliser l'alcali en cas de brûlure grave. Heureusement, le vinaigre n’a jamais été utile et je ne peux pas dire s’il vaut la peine de l’utiliser. En cas de brûlure, rincez immédiatement l'alcali avec beaucoup d'eau. Il existe également un remède populaire contre les brûlures : l'urine. Cela semble aider aussi.

Travailler réellement avec l'élément

Versez du NaOH sec dans un verre (j'ai acheté Digger pour nettoyer les tuyaux). Vous pouvez ajouter du MgO et d'autres ingrédients, comme du CaCO3 (poudre dentaire ou craie) ou du MgCO3 (j'avais du MgO d'amis). Allumez le brûleur et faites-le chauffer. Étant donné que NaOH est extrêmement hygroscopique, cela doit être fait immédiatement (et le sac contenant NaOH doit être bien fermé). Ce serait une bonne idée de s'assurer que le verre est entouré de chaleur de tous les côtés - le courant dépend TRÈS fortement de la température. C'est-à-dire fabriquer une chambre de combustion improvisée et y diriger la flamme du brûleur (il faut aussi s'assurer que la cartouche au niveau du brûleur n'explose pas, à mon avis ces brûleurs sont assez mal fabriqués de ce point de vue, comme je l'ai déjà a écrit, pour cela, il faut que les gaz chauds ne tombent pas sur le bidon, et il valait mieux le maintenir dans sa position normale, et non "à l'envers").
Parfois, il s'avère pratique d'amener la flamme du brûleur par le haut, mais c'est après que tout a fondu. Ensuite, le tube à décharge, l'électrode de décharge (et le carbone qui la traverse) et le dessus du verre, où se trouvent la plupart des bulles d'air, sont chauffés en même temps). Si ma mémoire est bonne, le meilleur résultat a été obtenu de cette manière.

Après un certain temps, l'alcali commencera à fondre et son volume diminuera. Il faut ajouter de la poudre pour que le verre soit plein aux 2/3 en hauteur (l'alcali s'écoulera par capillarité et éclaboussures). Le tuyau d'alimentation en air n'a pas bien fonctionné pour moi (en raison de la dilatation thermique, les espaces et les fuites vont augmenter, et en raison d'une bonne évacuation de la chaleur, l'alcali qu'il contient peut se solidifier). Parfois, l’air cessait complètement de circuler. Pour résoudre ce problème, j'ai procédé comme suit :
1. Souffler (augmentation légère et temporaire de l'apport d'air)
2. Lève-toi. (la pression sera moindre et l'air déplacera la colonne d'alcali de
tuyaux)
3. Réchauffement (sortez-le de la tasse et chauffez-le avec un brûleur pour que l'alcali à l'intérieur du pulvérisateur fonde).

En général, l'élément commence à bien fonctionner à une température brûlante (l'alcali commence à briller). En même temps, la mousse commence à couler (c'est du CO2), et des bruits secs avec des flashs se font entendre (soit c'est de l'hydrogène, soit du CO brûle, je ne comprends toujours pas).
J'ai pu atteindre une puissance maximale de 0,025 W/cm2 soit 0,176 W total par élément, avec une résistance de charge de 1,1 Ohms. En même temps, j'ai mesuré le courant avec un ampèremètre. Il a également été possible de mesurer la chute de tension aux bornes de la charge.

Dégénérescence électrolytique

Une mauvaise réaction secondaire se produit dans l'élément

NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.

C'est-à-dire qu'après un certain temps (des dizaines de minutes), tout va durcir (le point de fusion de la soude - je ne me souviens pas, mais environ 800). Pendant un certain temps, cela peut être surmonté en ajoutant plus d'alcali, mais en fin de compte, cela n'a pas d'importance : l'électrolyte durcira. Pour savoir comment lutter contre cela, consultez d'autres pages de ce site, en commençant par la page sur l'UTE. D'une manière générale, vous pouvez utiliser NaOH, malgré ce problème, ce que Jaco a écrit dans son brevet. Parce qu’il existe des moyens de produire du NaOH à partir de Na2CO3. Par exemple, déplacement par chaux vive selon la réaction Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3, après quoi CaCO3 peut être calciné et CaO sera à nouveau obtenu. Certes, cette méthode est très gourmande en énergie et l'efficacité globale de l'élément diminuera considérablement et la complexité augmentera. Par conséquent, je pense que vous devez toujours rechercher une composition électrolytique stable, qui a été trouvée dans SARA. Il est tout à fait possible d'y parvenir en recherchant des demandes de brevet SARA dans la base de données de l'Office américain des brevets (http://www.uspto.gov), d'autant plus qu'au fil du temps, elles auraient pu devenir des brevets déjà délivrés. Mais je n’y suis pas encore parvenu. En fait, cette idée elle-même n’est apparue que lors de la préparation de ces matériaux. Apparemment, je le ferai bientôt.

Résultats, réflexions et conclusions

Ici, je peux me répéter un peu. Vous ne pouvez pas commencer avec de l'argent, mais tout de suite avec du fer. Quand j'ai essayé d'utiliser un tricheur
en acier inoxydable, cela s'est mal passé pour moi. Maintenant, je comprends que la première raison en est la basse température et le grand écart entre les électrodes. Dans son article, Jacques écrit que les mauvaises performances du fer sont dues au fait que l'huile brûle le fer et qu'une deuxième électrode de carbone se forme, il faut donc nettoyer très soigneusement le fer de la moindre trace d'huile, et également utiliser du fer
faible teneur en carbone. Peut-être, mais je pense toujours qu’il y a une autre raison, plus importante. Le fer est un élément de valence variable. Il se dissout et forme un « court-circuit ». Ceci est également soutenu par le changement de couleur. Lors de l'utilisation d'argent, la couleur de l'électrolyte ne change pas (l'argent est le métal le plus résistant à l'action des alcalis fondus). À
Lors de l'utilisation du fer, l'électrolyte devient brun. Lors de l'utilisation d'argent, la tension en circuit ouvert atteint 0,9 V ou plus. Lors de l'utilisation du fer, c'est nettement inférieur (je ne me souviens pas exactement, mais pas plus de 0,6 V). Quant au type de fer qu'il faut utiliser pour que tout fonctionne bien, voir les autres pages. Un peu plus sur la vapeur d'eau, dont parle SARA. D'une part, c'est bon pour tout le monde (en théorie) : cela empêche le fer d'entrer en solution (la réaction de décomposition des ferrates alcalins avec l'eau chaude est connue, quelque chose comme Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3) et semble se déplacer l'équilibre dans une mauvaise réaction secondaire. J'ai recherché la thermodynamique de la réaction NaOH+CO2=Na2CO3+H2O à l'aide du programme en ligne F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php). À toutes les températures, le l'équilibre y est très fortement déplacé vers la droite, c'est-à-dire qu'il est peu probable que l'eau déplace de manière significative le dioxyde de carbone de son composé avec l'oxyde de sodium. Il est possible que la situation change dans l’alliage NaOH-Na2CO3, ou qu’une sorte de solution aqueuse se forme, mais je ne sais pas comment le savoir. Je pense que dans ce cas la pratique est le critère de vérité.

La principale chose que vous pouvez rencontrer lors d’expériences avec la vapeur est la condensation. Si, à partir du point où l'eau pénètre dans la conduite d'air, la température d'un mur descend en dessous de 100 °C, l'eau peut se condenser puis, avec le flux d'air, pénétrer dans l'alcali sous la forme d'une gouttelette. Ceci est très dangereux et doit être évité à tout prix. Ce qui est particulièrement dangereux, c’est que la température des murs n’est pas si simple à mesurer. Je n'ai moi-même pas essayé de faire quoi que ce soit avec Steam.

En général, bien sûr, vous devez effectuer de tels travaux non pas dans un appartement, mais au moins dans une maison de campagne, et immédiatement créer un élément plus grand. Pour ce faire, vous aurez naturellement besoin d'un four plus grand pour la cuisson, d'un « poêle » plus grand pour chauffer l'élément et de davantage de matières premières. Mais il sera bien plus pratique de travailler avec tous les détails. Cela est particulièrement vrai pour la structure de l'élément lui-même, pour lequel je n'avais pas de couvercle. Faire un grand couvercle est beaucoup plus facile que d'en faire un petit.

À propos de l'argent. L’argent, bien sûr, n’est pas si bon marché. Mais si l’électrode en argent est suffisamment fine, la cellule en argent peut devenir rentable. Par exemple, disons que nous parvenons à fabriquer une électrode d’une épaisseur de 0,1 mm. Compte tenu de la plasticité et de la malléabilité de l'argent, cela sera facile (l'argent peut être tiré à travers des rouleaux pour obtenir une feuille très fine, et je voulais même le faire, mais il n'y avait pas de rouleaux). Avec une densité d'environ 10 g/cm^3, un centimètre cube d'argent coûte environ 150 roubles. Cela donnera 100 centimètres carrés de surface d'électrode. Vous pouvez obtenir 200 cm ^ 2 si vous prenez deux charbons plats et placez une plaque d'argent entre eux. Avec une puissance spécifique de 0,025 W/cm^2 que j'ai atteinte, la puissance est de 5 watts ou 30 roubles par watt, ou 30 000 roubles par kilowatt. En raison de la simplicité de la conception, vous pouvez vous attendre à ce que les composants restants de l'élément kilowatt (poêle, pompe à air) soient nettement moins chers. Le corps peut être en porcelaine, qui est relativement résistante à la fonte alcaline. Le résultat ne sera pas trop coûteux, même par rapport aux centrales à essence de faible puissance. Et les panneaux solaires équipés d’éoliennes et de générateurs thermoélectriques sont loin derrière. Pour réduire encore le prix, vous pouvez essayer de fabriquer un récipient en cuivre argenté. Dans ce cas, la couche d’argent sera 100 à 1 000 fois plus fine. Certes, mes expériences avec une cuillère en cupronickel se sont soldées par un échec, on ne sait donc pas quelle sera la durabilité du revêtement en argent. Autrement dit, même l'utilisation de l'argent ouvre de très bonnes perspectives. La seule chose qui pourrait échouer ici, c'est si l'argent n'est pas assez solide.

En savoir plus sur les matériaux du dossier. Apparemment, les peroxydes de sodium, par exemple Na2O2, qui devraient apparaître lorsque de l'air est soufflé dans NaOH, seraient d'une grande importance lors du fonctionnement de l'élément. À haute température, le peroxyde corrode presque toutes les substances. Des expériences ont été réalisées pour mesurer la perte de poids avec des creusets constitués de divers matériaux contenant du peroxyde de sodium fondu. Le zirconium s'est avéré le plus résistant, suivi du fer, puis du nickel, puis de la porcelaine. Silver n’a pas réussi à figurer parmi les quatre premiers. Malheureusement, je ne me souviens pas exactement de la stabilité de l’argent. Il y était également écrit sur la bonne résistance de l'Al2O3 et du MgO. Mais la deuxième place, occupée par le fer, incite à l'optimisme.

C'est tout, en fait.

Je voudrais vous prévenir tout de suite que ce sujet ne concerne pas entièrement le sujet Habr, mais dans les commentaires du post sur l'élément développé au MIT, l'idée semblait être soutenue, je vais donc décrire ci-dessous quelques réflexions sur les biocarburants. éléments.
Le travail sur lequel ce sujet est écrit a été réalisé par moi en 11e année et a pris la deuxième place à la conférence internationale INTEL ISEF.

Une pile à combustible est une source de courant chimique dans laquelle l'énergie chimique d'un agent réducteur (carburant) et d'un agent oxydant, fournis en continu et séparément aux électrodes, est directement convertie en énergie électrique.
énergie. Le schéma de principe d’une pile à combustible (FC) est présenté ci-dessous :

La pile à combustible se compose d’une anode, d’une cathode, d’un conducteur ionique, d’une anode et d’une cathode. À l’heure actuelle, la puissance des biopiles n’est pas suffisante pour une utilisation à l’échelle industrielle, mais les BFC de faible puissance peuvent être utilisés à des fins médicales comme capteurs sensibles, car l’intensité du courant qu’ils contiennent est proportionnelle à la quantité de carburant traitée.
À ce jour, un grand nombre de modèles de piles à combustible ont été proposés. Dans chaque cas particulier, la conception de la pile à combustible dépend de la destination de la pile à combustible, du type de réactif et du conducteur ionique. Un groupe spécial comprend les biopiles qui utilisent des catalyseurs biologiques. Une caractéristique distinctive importante des systèmes biologiques est leur capacité à oxyder sélectivement divers carburants à basse température.
Dans la plupart des cas, les enzymes immobilisées sont utilisées en bioélectrocatalyse, c'est-à-dire enzymes isolées d'organismes vivants et fixées sur un support, mais conservant une activité catalytique (partiellement ou totalement), ce qui permet de les réutiliser. Prenons l'exemple d'une biopile dans laquelle une réaction enzymatique est couplée à une réaction d'électrode utilisant un médiateur. Schéma d'une biopile à base de glucose oxydase :

Une biopile à combustible est constituée de deux électrodes inertes en or, platine ou carbone, immergées dans une solution tampon. Les électrodes sont séparées par une membrane échangeuse d'ions : le compartiment anodique est purgé à l'air, le compartiment cathodique à l'azote. La membrane permet une séparation spatiale des réactions se produisant dans les compartiments d'électrodes de la cellule, et assure en même temps l'échange de protons entre eux. Des membranes de différents types adaptées aux biocapteurs sont produites au Royaume-Uni par de nombreuses entreprises (VDN, VIROKT).
L'introduction de glucose dans une biopile contenant de la glucose oxydase et un médiateur soluble à 20 °C entraîne un flux d'électrons de l'enzyme vers l'anode via le médiateur. Les électrons voyagent à travers le circuit externe jusqu’à la cathode où, dans des conditions idéales, de l’eau se forme en présence de protons et d’oxygène. Le courant résultant (en l'absence de saturation) est proportionnel à l'ajout du composant déterminant le taux (glucose). En mesurant les courants stationnaires, vous pouvez déterminer rapidement (5 s) même de faibles concentrations de glucose - jusqu'à 0,1 mM. En tant que capteur, la biopile décrite présente certaines limitations liées à la présence d'un médiateur et certaines exigences concernant la cathode et la membrane à oxygène. Ces derniers doivent retenir l'enzyme et en même temps laisser passer les composants de faible poids moléculaire : gaz, médiateur, substrat. Les membranes échangeuses d'ions satisfont généralement à ces exigences, bien que leurs propriétés de diffusion dépendent du pH de la solution tampon. La diffusion de composants à travers la membrane entraîne une diminution de l'efficacité du transfert d'électrons en raison de réactions secondaires.
Il existe aujourd'hui des modèles de laboratoire de piles à combustible avec catalyseurs enzymatiques, dont les caractéristiques ne répondent pas aux exigences de leur application pratique. Les principaux efforts des prochaines années porteront sur le perfectionnement des biopiles et d'autres applications de la biopile seront davantage liées à la médecine, par exemple : une biopile implantable utilisant de l'oxygène et du glucose.
Lors de l'utilisation d'enzymes en électrocatalyse, le principal problème à résoudre est le problème du couplage de la réaction enzymatique avec la réaction électrochimique, c'est-à-dire d'assurer un transport efficace des électrons du centre actif de l'enzyme à l'électrode, ce qui peut être réalisé en des manières suivantes :
1. Transfert d'électrons du centre actif de l'enzyme à l'électrode à l'aide d'un support de faible poids moléculaire - médiateur (bioélectrocatalyse médiatrice).
2. Oxydation et réduction directes et directes des sites actifs de l'enzyme sur l'électrode (bioélectrocatalyse directe).
Dans ce cas, le couplage médiateur des réactions enzymatiques et électrochimiques, à son tour, peut être réalisé de quatre manières :
1) l'enzyme et le médiateur sont dans la majeure partie de la solution et le médiateur diffuse à la surface de l'électrode ;
2) l'enzyme est à la surface de l'électrode et le médiateur est dans le volume de la solution ;
3) l'enzyme et le médiateur sont immobilisés à la surface de l'électrode ;
4) le médiateur est cousu à la surface de l'électrode et l'enzyme est en solution.

Dans ce travail, la laccase a servi de catalyseur pour la réaction cathodique de réduction de l'oxygène, et la glucose oxydase (GOD) a servi de catalyseur pour la réaction anodique d'oxydation du glucose. Les enzymes ont été utilisées dans la composition de matériaux composites, dont la création est l'une des étapes les plus importantes de la création de biopiles, qui servent simultanément de capteur analytique. Dans ce cas, les matériaux biocomposites doivent offrir une sélectivité et une sensibilité pour la détermination du substrat et en même temps avoir une activité bioélectrocatalytique élevée, proche de l'activité enzymatique.
La laccase est une oxydoréductase contenant du Cu, dont la fonction principale dans des conditions natives est l'oxydation de substrats organiques (phénols et leurs dérivés) avec de l'oxygène, qui est réduit en eau. Le poids moléculaire de l'enzyme est de 40 000 g/mol.

À ce jour, il a été démontré que la laccase est l’électrocatalyseur le plus actif pour la réduction de l’oxygène. En présence sur l'électrode dans une atmosphère d'oxygène, un potentiel proche du potentiel d'oxygène d'équilibre s'établit et la réduction de l'oxygène se produit directement dans l'eau.
Un matériau composite à base de laccase, de noir d'acétylène AD-100 et de Nafion a été utilisé comme catalyseur de la réaction cathodique (réduction de l'oxygène). Une particularité du composite est sa structure, qui assure l'orientation de la molécule d'enzyme par rapport à la matrice conductrice d'électrons, nécessaire au transfert direct d'électrons. L'activité bioélectrocatalytique spécifique de la laccase dans les approches composites observées en catalyse enzymatique. La méthode de couplage des réactions enzymatiques et électrochimiques dans le cas de la laccase, c'est à dire une méthode de transfert d'un électron d'un substrat à travers le centre actif de l'enzyme laccase vers une électrode - biélectrocatalyse directe.

La glucose oxydase (GOD) est une enzyme de la classe des oxydoréductases et possède deux sous-unités, chacune possédant son propre centre actif - (flavine adénine dinucléotide) FAD. DIEU est une enzyme sélective pour le donneur d'électrons, le glucose, et peut utiliser de nombreux substrats comme accepteurs d'électrons. Le poids moléculaire de l'enzyme est de 180 000 g/mol.

Dans ce travail, nous avons utilisé un matériau composite à base de GOD et de ferrocène (FC) pour l'oxydation anodique du glucose via un mécanisme médiateur. Le matériau composite comprend du GOD, du graphite colloïdal hautement dispersé (HCG), du Fc et du Nafion, ce qui a permis d'obtenir une matrice conductrice d'électrons avec une surface très développée, d'assurer un transport efficace des réactifs dans la zone de réaction et des caractéristiques stables du composite. matériel. Une méthode de couplage de réactions enzymatiques et électrochimiques, c'est-à-dire assurer un transport efficace des électrons du centre actif de DIEU vers l'électrode médiatrice, tandis que l'enzyme et le médiateur étaient immobilisés à la surface de l'électrode. Le ferrocène a été utilisé comme médiateur - accepteur d'électrons. Lorsqu'un substrat organique, le glucose, est oxydé, le ferrocène est réduit puis oxydé au niveau de l'électrode.

Si quelqu'un est intéressé, je peux décrire en détail le processus d'obtention du revêtement d'électrode, mais pour cela, il est préférable d'écrire dans un message personnel. Et dans le sujet, je décrirai simplement la structure résultante.

1. AD-100.
2. laccase.
3. substrat poreux hydrophobe.
4. Nafion.

Une fois les électeurs reçus, nous sommes passés directement à la partie expérimentale. Voici à quoi ressemblait notre cellule de travail :

1. Électrode de référence Ag/AgCl ;
2. électrode de travail ;
3. électrode auxiliaire - Рt.
Dans l'expérience avec la glucose oxydase - purge à l'argon, à la laccase - à l'oxygène.

La réduction de l'oxygène sur les suies en l'absence de laccase se produit à des potentiels inférieurs à zéro et se déroule en deux étapes : par formation intermédiaire de peroxyde d'hydrogène. La figure montre la courbe de polarisation de l'électroréduction de l'oxygène par la laccase immobilisée sur AD-100, obtenue en atmosphère d'oxygène dans une solution de pH 4,5. Dans ces conditions, un potentiel stationnaire s'établit proche du potentiel d'équilibre de l'oxygène (0,76 V). À des potentiels cathodiques de 0,76 V, une réduction catalytique de l'oxygène est observée au niveau de l'électrode enzymatique, qui passe par le mécanisme de bioélectrocatalyse directe directement dans l'eau. Dans la région de potentiel inférieure à 0,55 V de la cathode, un plateau est observé sur la courbe, qui correspond au courant cinétique limite de réduction de l'oxygène. La valeur limite du courant était d’environ 630 μA/cm2.

Le comportement électrochimique du matériau composite à base de GOD Nafion, ferrocène et VKG a été étudié par voltammétrie cyclique (CV). L'état du matériau composite en l'absence de glucose dans une solution tampon phosphate a été suivi à l'aide de courbes de charge. Sur la courbe de charge à un potentiel de (–0,40) V, des maxima sont observés liés aux transformations redox du centre actif de DIEU - (FAD), et à 0,20-0,25 V il y a des maxima d'oxydation et de réduction du ferrocène.

Des résultats obtenus, il s'ensuit qu'à base d'une cathode avec de la laccase comme catalyseur pour la réaction de l'oxygène et d'une anode à base de glucose oxydase pour l'oxydation du glucose, il existe une possibilité fondamentale de créer une biopile. Certes, il existe de nombreux obstacles sur ce chemin, par exemple, des pics d'activité enzymatique sont observés à différents niveaux de pH. Cela a conduit à la nécessité d'ajouter au BFC une membrane échangeuse d'ions qui permet de séparer spatialement les réactions se produisant dans les compartiments d'électrodes de la cellule, tout en assurant l'échange de protons entre eux. L'air pénètre dans le compartiment anodique.
L'introduction de glucose dans une biopile contenant de la glucose oxydase et un médiateur entraîne un flux d'électrons de l'enzyme vers l'anode via le médiateur. Les électrons voyagent à travers le circuit externe jusqu’à la cathode où, dans des conditions idéales, de l’eau se forme en présence de protons et d’oxygène. Le courant résultant (en l’absence de saturation) est proportionnel à l’ajout du composant déterminant la vitesse, le glucose. En mesurant les courants stationnaires, vous pouvez déterminer rapidement (5 s) même de faibles concentrations de glucose - jusqu'à 0,1 mM.

Malheureusement, je n'ai pas pu concrétiser l'idée de ce BFC, car Immédiatement après la 11e année, je suis allé étudier pour devenir programmeur, ce que je fais encore assidûment aujourd'hui. Merci à tous ceux qui l'ont complété.

Titulaires du brevet RU 2379795 :

L'invention concerne des piles à combustible à alcool à action directe utilisant des électrolytes acides solides et des catalyseurs de reformage internes. Le résultat technique de l'invention est une puissance spécifique et une tension accrues de l'élément. Selon l'invention, une pile à combustible comprend une anode, une cathode, un électrolyte acide solide, une couche de diffusion gazeuse et un catalyseur de reformage interne. Le catalyseur de reformage interne peut être n'importe quel reformeur approprié et est situé à côté de l'anode. Dans cette configuration, la chaleur générée lors des réactions exothermiques sur le catalyseur dans la pile à combustible et le chauffage ohmique de l'électrolyte de la pile à combustible sont la force motrice de la réaction endothermique de reformage du carburant convertissant l'alcool combustible en hydrogène. N’importe quel carburant alcoolisé peut être utilisé, comme le méthanol ou l’éthanol. 5 n. et 20 salaire f-ly, 4 malades.

Domaine de la technologie

L'invention concerne les piles à combustible à alcool direct utilisant des électrolytes acides solides.

État de l'art

Les alcools ont récemment fait l’objet d’intenses recherches en tant que carburants potentiels. Les carburants particulièrement intéressants sont les alcools tels que le méthanol et l’éthanol, car ils ont des densités énergétiques cinq à sept fois supérieures à celles de l’hydrogène comprimé standard. Par exemple, un litre de méthanol équivaut énergétiquement à 5,2 litres d’hydrogène comprimé à 320 atm. De plus, un litre d’éthanol équivaut énergétiquement à 7,2 litres d’hydrogène comprimé à 350 atm. De tels alcools sont également souhaitables car ils sont faciles à manipuler, à stocker et à transporter.

Le méthanol et l’éthanol ont fait l’objet de nombreuses recherches du point de vue des carburants alcoolisés. L'éthanol peut être produit par la fermentation de plantes contenant du sucre et de l'amidon. Le méthanol peut être produit par gazéification du bois ou des déchets de bois/céréales (paille). Cependant, la synthèse du méthanol est plus efficace. Ces alcools sont, entre autres, des ressources renouvelables et sont donc censés jouer un rôle important à la fois dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre et dans la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles.

Les piles à combustible ont été proposées comme dispositifs permettant de convertir l'énergie chimique de ces alcools en énergie électrique. À cet égard, les piles à combustible à alcool directes comportant des membranes électrolytiques polymères ont fait l'objet de recherches intensives. Plus précisément, la recherche s’est concentrée sur les piles à combustible directes au méthanol et aux piles à combustible directes à l’éthanol. Cependant, la recherche sur les piles à combustible à éthanol direct a été limitée en raison de la difficulté relative d’oxydation de l’éthanol par rapport à l’oxydation du méthanol.

Malgré ces efforts de recherche approfondis, les performances des piles à combustible à alcool direct restent insatisfaisantes, principalement en raison des limitations cinétiques imposées par les catalyseurs à électrodes. Par exemple, les piles à combustible au méthanol direct typiques ont une densité de puissance d'environ 50 mW/cm2. Des densités de puissance plus élevées ont été atteintes, comme 335 mW/cm2, mais uniquement dans des conditions extrêmement difficiles (Nafion®, 130°C, 5 atm d'oxygène et 1 M de méthanol pour un débit de 2 cc/min à une pression de 1,8 atm ). De même, une pile à combustible à éthanol direct a une densité de puissance de 110 mW/cm2 dans des conditions similaires extrêmement difficiles (Nafion® - silice, 140°C, anode 4 atm, oxygène 5,5 atm). En conséquence, il existe un besoin pour des piles à combustible à alcool directe ayant des densités de puissance élevées en l'absence de telles conditions extrêmes.

Résumé de l'invention

La présente invention concerne les piles à combustible à alcool contenant des électrolytes acides solides et utilisant un catalyseur de reformage interne. Une pile à combustible comprend généralement une anode, une cathode, un électrolyte acide solide et un reformeur interne. Le reformeur assure le reformage de l'alcool carburant pour produire de l'hydrogène. La force motrice de la réaction de reformage est la chaleur générée lors des réactions exothermiques dans la pile à combustible.

L'utilisation d'électrolytes acides solides dans la pile à combustible permet de placer le reformeur directement à côté de l'anode. Cela n'était pas cru possible auparavant en raison des températures élevées requises pour que les matériaux de reformage connus fonctionnent efficacement et de la sensibilité à la chaleur des membranes électrolytiques polymères typiques. Cependant, par rapport aux membranes électrolytiques polymères classiques, les électrolytes acides solides peuvent résister à des températures beaucoup plus élevées, permettant de localiser le reformeur adjacent à l'anode et donc proche de l'électrolyte. Dans cette configuration, la chaleur perdue générée par l'électrolyte est absorbée par le reformeur et sert de force motrice à la réaction de reformage endothermique.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront mieux compris en référence à la description détaillée suivante prise en conjonction avec les dessins annexés, dans lesquels :

La figure 1 est une illustration schématique d'une pile à combustible selon un mode de réalisation de la présente invention ;

La figure 2 est une comparaison graphique des courbes entre la densité de puissance et la tension de pile pour des piles à combustible obtenues conformément aux exemples 1 et 2 et à l'exemple comparatif 1 ;

la figure 3 est une comparaison graphique des courbes de tension de cellule de densité de puissance pour des piles à combustible obtenues conformément aux exemples 3, 4 et 5 et à l'exemple comparatif 2 ; Et

La figure 4 est une comparaison graphique des courbes de densité de puissance en fonction de la tension de pile pour les piles à combustible obtenues conformément aux exemples comparatifs 2 et 3.

Description detaillee de l'invention

La présente invention concerne des piles à combustible à alcool direct contenant des électrolytes acides solides et utilisant un catalyseur de reformage interne en contact physique avec un ensemble membrane-électrode (MEA) conçu pour reformer le carburant à base d'alcool afin de produire de l'hydrogène. Comme indiqué ci-dessus, les performances des piles à combustible, qui convertissent l'énergie chimique des alcools directement en énergie électrique, restent insatisfaisantes en raison des limitations cinétiques imposées par les catalyseurs des électrodes des piles à combustible. Cependant, il est bien connu que ces limitations cinétiques sont considérablement réduites lorsque l’on utilise de l’hydrogène comme carburant. En conséquence, la présente invention utilise un catalyseur de reformage ou un reformeur conçu pour reformer un carburant alcoolisé afin de produire de l'hydrogène, réduisant ou éliminant ainsi les limitations cinétiques associées au carburant alcoolique. Les carburants alcoolisés sont reformés à la vapeur selon les exemples de réaction suivants :

Méthanol en hydrogène : CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ;

Éthanol en hydrogène : C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2.

Cependant, la réaction de reformage est fortement endothermique. Par conséquent, pour obtenir la force motrice de la réaction de reformage, le reformeur doit être chauffé. La quantité de chaleur requise est généralement d'environ 59 kJ par mole de méthanol (équivalent à la combustion d'environ 0,25 mole d'hydrogène) et d'environ 190 kJ par mole d'éthanol (équivalent à la combustion d'environ 0,78 mole d'hydrogène).

En raison du passage du courant électrique pendant le fonctionnement des piles à combustible, de la chaleur perdue est générée, dont l'élimination efficace est problématique. Cependant, la génération de cette chaleur perdue rend le placement du reformeur directement à côté de la pile à combustible un choix naturel. Cette configuration permet à l'hydrogène d'être fourni du reformeur à la pile à combustible et de refroidir la pile à combustible, et permet à la pile à combustible de chauffer le reformeur et de fournir la force motrice pour les réactions à l'intérieur de celui-ci. Cette configuration est utilisée dans les piles à combustible à carbonate fondu et pour les réactions de reformage du méthane se produisant à environ 650°C. Cependant, les réactions de reformage d'alcool se produisent généralement à des températures allant d'environ 200°C à environ 350°C, et aucune pile à combustible appropriée utilisant le reformage d'alcool n'a encore été développée.

La présente invention concerne une telle pile à combustible utilisant le reformage d'alcool. Comme illustré sur la FIGURE 1, une pile à combustible 10 selon la présente invention comprend généralement une première couche de collecteur de courant/diffusion de gaz 12, une anode 12a, une deuxième couche de collecteur de courant/diffusion de gaz 14, une cathode 14a, un électrolyte 16, et un catalyseur de reformage interne 18. Catalyseur de reformage interne 18 situé à côté de l'anode 12a. Plus précisément, le catalyseur de reformage 18 est positionné entre la première couche de diffusion gazeuse 12 et l'anode 12a. On peut utiliser n'importe quel catalyseur de reformage approprié connu 18. Des exemples non limitatifs de catalyseurs de reformage appropriés comprennent des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

N'importe quel carburant alcoolisé tel que le méthanol, l'éthanol et le propanol peut être utilisé. De plus, l’éther diméthylique peut être utilisé comme carburant.

Historiquement, cette configuration n’était pas considérée comme possible pour les piles à combustible à alcool en raison de la nature endothermique de la réaction de reformage et de la sensibilité de l’électrolyte à la chaleur. Les piles à combustible à alcool typiques utilisent des membranes électrolytiques polymères qui ne peuvent pas résister à la chaleur nécessaire pour fournir la force motrice du catalyseur de reformage. Cependant, les électrolytes utilisés dans les piles à combustible de la présente invention contiennent des électrolytes acides solides, tels que ceux décrits dans le brevet américain n° 6 468 684 intitulé PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, dont le contenu entier est incorporé ici à titre de référence, et à en même temps, la demande de brevet américain en instance n° 10/139043 intitulée PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, dont le contenu complet est également incorporé ici à titre de référence. Un exemple non limitatif d'un acide solide approprié pour être utilisé comme électrolyte dans la présente invention est le CsH 2 PO 4 . Les électrolytes acides solides utilisés dans les piles à combustible de la présente invention peuvent résister à des températures beaucoup plus élevées, permettant de placer le catalyseur de reformage directement à côté de l'anode. De plus, la réaction de reformage endothermique consomme la chaleur générée par les réactions exothermiques dans la pile à combustible, formant ainsi un système thermiquement équilibré.

Ces acides solides sont utilisés dans leurs phases superprotiques et agissent comme des membranes conductrices de protons dans la plage de températures d'environ 100°C à environ 350°C. L’extrémité supérieure de cette plage de températures est idéale pour reformer le méthanol. Pour fournir une génération de chaleur suffisante pour fournir la force motrice de la réaction de reformage et pour assurer la conductivité protonique de l'électrolyte acide solide, la pile à combustible de la présente invention fonctionne de préférence à des températures allant d'environ 100°C à environ 500°C. Cependant, il est préférable de faire fonctionner la pile à combustible à des températures allant d'environ 200°C à environ 350°C. En plus d'améliorer considérablement les performances des piles à combustible à alcool, les températures de fonctionnement relativement élevées des piles à combustible à alcool de l'invention peuvent permettre le remplacement de catalyseurs métalliques coûteux tels que le Pt/Ru et le Pt sur l'anode et la cathode, respectivement, avec moins de coûts. matériaux catalyseurs coûteux.

Les exemples et exemples comparatifs suivants illustrent les caractéristiques de performances supérieures des piles à combustible à alcool de l'invention. Cependant, ces exemples sont présentés uniquement à des fins d'illustration et ne doivent pas être interprétés comme limitant l'invention à ces exemples.

Exemple 1 : Pile à combustible au méthanol

13 mg/cm2 de Pt/Ru ont été utilisés comme électrocatalyseur anodique. Cu (30 % en poids) - Zn (20 % en poids) - Al a été utilisé comme catalyseur de reformage interne. 15 mg/cm2 de Pt ont été utilisés comme électrocatalyseur cathodique. Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 160 µm a été utilisée comme électrolyte. Des mélanges de méthanol et d'eau convertis en vapeur ont été introduits dans l'espace anodique à un débit de 100 µL/min. 30 % d'oxygène humidifié ont été fournis à la cathode à un débit de 50 cm3/min (température et pression standard). Le rapport méthanol:eau était de 25:75. La température de l'élément a été réglée à 260°C.

Exemple 2 : Pile à combustible à l'éthanol

13 mg/cm2 de Pt/Ru ont été utilisés comme électrocatalyseur anodique. Cu (30 % en poids) - Zn (20 % en poids) - Al a été utilisé comme catalyseur de reformage interne. 15 mg/cm2 de Pt ont été utilisés comme électrocatalyseur cathodique. Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 160 µm a été utilisée comme électrolyte. Des mélanges d'éthanol et d'eau convertis en vapeur ont été introduits dans l'espace anodique à un débit de 100 µL/min. 30 % d'oxygène humidifié ont été fournis à la cathode à un débit de 50 cm3/min (température et pression standard). Le rapport éthanol:eau était de 15:85. La température de l'élément a été réglée à 260°C.

Exemple comparatif 1 - Pile à combustible utilisant du H 2 pur

13 mg/cm2 de Pt/Ru ont été utilisés comme électrocatalyseur anodique. 15 mg/cm2 de Pt ont été utilisés comme électrocatalyseur cathodique. Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 160 µm a été utilisée comme électrolyte. 3 % d’hydrogène humidifié ont été fournis à l’espace anodique à un débit de 100 µL/min. 30 % d'oxygène humidifié ont été fournis à la cathode à un débit de 50 cm3/min (température et pression standard). La température de l'élément a été réglée à 260°C.

La figure 2 montre les courbes de la relation entre la puissance spécifique et la tension de la cellule pour les exemples 1 et 2 et l'exemple comparatif 1. Comme indiqué, pour la pile à combustible au méthanol (exemple 1), une densité de puissance maximale de 69 mW/cm 2 est atteinte, pour la pile à combustible à éthanol (exemple 2) atteint une densité de puissance maximale de 53 mW/cm2, et pour une pile à combustible à hydrogène (exemple comparatif 1), une densité de puissance maximale de 80 est atteinte

mW/cm2. Ces résultats montrent que les piles à combustible obtenues conformément à l'exemple 1 et à l'exemple comparatif 1 sont très similaires, ce qui indique que la pile à combustible au méthanol comportant un reformeur présente des performances presque aussi bonnes que celles d'une pile à combustible à hydrogène, ce qui constitue une amélioration significative. Cependant, comme le démontrent les exemples et exemples comparatifs suivants, en réduisant l'épaisseur de l'électrolyte, une augmentation supplémentaire de la densité de puissance est obtenue.

La pile à combustible a été réalisée par dépôt en suspension de CsH 2 PO 4 sur un support poreux en acier inoxydable, qui servait à la fois de couche de diffusion de gaz et de collecteur de courant. La couche d'électrocatalyseur cathodique a d'abord été déposée sur la couche de diffusion gazeuse puis compactée avant le dépôt de la couche d'électrolyte. Après cela, une couche d’électrocatalyseur anodique a été déposée, suivie du placement d’une deuxième électrode à diffusion gazeuse comme couche finale de la structure.

Un mélange de CsH 2 PO 4 , Pt (50 % en poids atomique) Ru, Pt (40 % en poids) - Ru (20 % en poids) supporté sur C (40 % en poids) et du naphtalène a été utilisé comme électrode anodique. Le rapport des composants dans le mélange de CsH 2 PO 4 : Pt-Ru : Pt-Ru-C : naphtalène était de 3 : 3 : 1 : 0,5 (en poids). Le mélange a été utilisé en une quantité totale de 50 mg. Les charges de Pt et de Ru étaient respectivement de 5,6 mg/cm2 et 2,9 mg/cm2. La superficie de l'électrode anodique était de 1,74 cm 2 .

Un mélange de CsH 2 PO 4 , Pt, Pt (50 % en poids) déposé sur C (50 % en poids) et du naphtalène a été utilisé comme électrode cathodique. Le rapport des composants dans le mélange de CsH 2 PO 4 : Pt : Pt-C : naphtalène était de 3 : 3 : 1 : 1 (en poids). Le mélange a été utilisé en une quantité totale de 50 mg. Les charges en Pt étaient de 7,7 mg/cm 2 . La surface de la cathode était de 2,3 à 2,9 cm1.

CuO (30 en poids %) - ZnO (20 en poids %) - Al 2 O 3 a été utilisé comme catalyseur de reformage, c'est-à-dire CuO (31 mol. %) - ZnO (16 mol. %) - Al 2 O 3 . Le catalyseur de reformage a été préparé par une méthode de co-précipitation utilisant une solution de nitrate de cuivre, de zinc et d'aluminium (la concentration totale en métal était de 1 mol/L) et une solution aqueuse de carbonates de sodium (1,1 mol/L). Le précipité a été lavé avec de l'eau désionisée, filtré et séché à l'air à 120°C pendant 12 heures. La poudre séchée en quantité de 1 g a été légèrement pressée jusqu'à une épaisseur de 3,1 mm et un diamètre de 15,6 mm, puis calcinée à 350°C pendant 2 heures.

Une membrane CsH 2 PO 4 d'une épaisseur de 47 µm a été utilisée comme électrolyte.

Une solution méthanol-eau (43 % vol. ou 37 % en poids ou 25 % mol. ou 1,85 M de méthanol) a été introduite dans un évaporateur en verre (200 °C) à un débit de 135 µL/min. La température de l'élément a été réglée à 260°C.

La pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf que ce n'est pas un mélange méthanol-eau, mais un mélange éthanol-eau (36 % vol. ou 31 % poids) qui a été introduit dans l'évaporateur (200 °C) à une débit de 114 µl/min ou 15 % molaire, ou 0,98 M d'éthanol).

La pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf qu'à un débit de 100 µL/min, à la place du mélange méthanol-eau, de la vodka (Absolut Vodka, Suède) (40 % vol. ou 34 % poids, ou 17 % mol) a été fourni (éthanol).

Exemple comparatif 2

La pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf qu'au lieu d'un mélange méthanol-eau, de l'hydrogène séché a été utilisé à raison de 100 centimètres cubes standards par minute, humidifié avec de l'eau chaude (70°C).

Exemple comparatif 3

Une pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple 3 ci-dessus, sauf qu'aucun catalyseur de reformage n'a été utilisé et que la température de la pile a été réglée à 240°C.

Exemple comparatif 4

Une pile à combustible a été préparée conformément à l'exemple comparatif 2, sauf que la température de la pile a été réglée à 240°C.

La figure 3 montre les courbes de densité de puissance en fonction de la tension de la cellule pour les exemples 3, 4 et 5 et l'exemple comparatif 2. Comme indiqué, la pile à combustible au méthanol (exemple 3) a atteint une densité de puissance maximale de 224 mW/cm2, ce qui représente une augmentation significative de la puissance. densité par rapport à la pile à combustible obtenue conformément à l'exemple 1 et présentant un électrolyte beaucoup plus épais. Cette pile à combustible au méthanol démontre également une amélioration spectaculaire des performances par rapport aux piles à combustible au méthanol qui n'utilisent pas de reformeur interne, comme le montre mieux la figure 4. La pile à combustible à l'éthanol (exemple 4) démontre également une densité de puissance et une tension de cellule accrues par rapport à la pile à combustible au méthanol. Pile à combustible à éthanol ayant une membrane électrolytique plus épaisse (exemple 2). Cependant, il a été démontré que la pile à combustible au méthanol (exemple 3) fonctionne mieux que la pile à combustible à l'éthanol (exemple 4). Pour la pile à combustible vodka (exemple 5), on atteint des densités de puissance comparables à celles d'une pile à combustible éthanol. Comme le montre la figure 3, la pile à combustible au méthanol (exemple 3) présente des caractéristiques de performances approximativement aussi bonnes que celles de la pile à combustible à hydrogène (exemple comparatif 2).

La figure 4 montre les courbes de densité de puissance en fonction de la tension de cellule pour les exemples comparatifs 3 et 4. Comme indiqué, la pile à combustible au méthanol sans reformeur (exemple comparatif 3) atteint des densités de puissance qui sont nettement inférieures à celles obtenues pour la pile à combustible à hydrogène (exemple comparatif 4). De plus, les figures 2, 3 et 4 montrent que, par rapport à une pile à combustible au méthanol sans reformeur (exemple comparatif 3), des densités de puissance significativement plus élevées sont obtenues pour les piles à combustible au méthanol avec reformeurs (exemples 1 et 3).

La description précédente a été présentée pour présenter les modes de réalisation actuellement préférés de l'invention. L'homme du métier et de la technologie concernés par la présente invention comprendra que des changements et des modifications peuvent être apportés aux modes de réalisation décrits sans s'écarter de manière significative des principes, de la portée et de l'esprit de la présente invention. En conséquence, la description précédente ne doit pas être considérée comme se référant uniquement aux modes de réalisation spécifiques décrits, mais doit plutôt être comprise comme étant cohérente et soutenant les revendications suivantes, qui contiennent la portée la plus complète et la plus objective de l'invention.

1. Pile à combustible comprenant : une couche électrocatalytique d'anode, une couche électrocatalytique de cathode, une couche d'électrolyte contenant un acide solide, une couche de diffusion de gaz et un catalyseur de reformage interne situé à côté de la couche électrocatalytique d'anode, de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique anodique et la couche de diffusion gazeuse et est en contact physique avec la couche électrocatalytique anodique.

2. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle l'électrolyte acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

3. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

4. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :

réserve de carburant; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 100°C à environ 500°C.

5. Procédé selon la revendication 4, où le carburant est de l'alcool.

6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le carburant est choisi dans le groupe constitué du méthanol, de l'éthanol, du propanol et du diméthyléther.

7. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la pile à combustible fonctionne à une température comprise entre environ 200°C et environ 350°C.

8. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

9. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'électrolyte contient un acide solide.

10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

11. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :
formation d'une couche électrocatalytique anodique ;
formation d'une couche électrocatalytique cathodique ;
former une couche d'électrolyte contenant un acide solide ;
formation d'une couche de diffusion de gaz et
former un catalyseur de reformage interne adjacent à la couche électrocatalytique anodique de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique anodique et la couche de diffusion gazeuse et soit en contact physique avec la couche électrocatalytique anodique ;
réserve de carburant; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 200°C à environ 350°C.

12. Procédé selon la revendication 11, où le carburant est de l'alcool.

13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le carburant est choisi dans le groupe constitué du méthanol, de l'éthanol, du propanol et du diméthyléther.

14. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué d'un mélange d'oxydes de Cu-Zn-Al, de mélanges d'oxydes de Cu-Co-Zn-Al et de mélanges d'oxydes de Cu-Zn-Al-Zr. .

15. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'électrolyte contient un acide solide.

16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel l'acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

17. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :
formation d'une couche électrocatalytique anodique ;
formation d'une couche électrocatalytique cathodique ;
former une couche d'électrolyte contenant un acide solide ;
formation d'une couche de diffusion de gaz et
former un catalyseur de reformage interne adjacent à la couche électrocatalytique anodique de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique anodique et la couche de diffusion gazeuse et soit en contact physique avec la couche électrocatalytique anodique ;
fourniture de carburant alcoolisé; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 100°C à environ 500°C.

18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le carburant est choisi dans le groupe constitué du méthanol, de l'éthanol, du propanol et du diméthyléther.

19. Procédé selon la revendication 17, dans lequel la pile à combustible fonctionne à une température allant d'environ 200°C à environ 350°C.

20. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le catalyseur de reformage est choisi dans le groupe constitué des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al, des mélanges d'oxydes Cu-Co-Zn-Al et des mélanges d'oxydes Cu-Zn-Al-Zr.

21. Procédé selon la revendication 17, dans lequel l'électrolyte acide solide contient du CsH 2 PO 4 .

22. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible, comprenant :
formation d'une couche électrocatalytique anodique ;
formation d'une couche électrocatalytique cathodique ;
former une couche d'électrolyte contenant un acide solide ;
formation d'une couche de diffusion de gaz et
former un catalyseur de reformage interne adjacent à la couche électrocatalytique anodique de telle sorte que le catalyseur de reformage interne soit situé entre la couche électrocatalytique anodique et la couche de diffusion gazeuse et soit en contact physique avec la couche électrocatalytique anodique ;
fourniture de carburant alcoolisé; et faire fonctionner la pile à combustible à une température allant d'environ 200°C à environ 350°C.

L'invention concerne les piles à combustible à alcool à action directe utilisant des électrolytes acides solides et des catalyseurs de reformage internes.

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