Pile à combustible - Définition

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Pile à combustible au méthanol
Pile à combustible au méthanol

Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...).

Historique

1839 Découverte de l' effet pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...) par le suisse Christian Schönbein

1839-1842 Réalisation du premier modèle de laboratoire de pile à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) par William R. Grove

1932 Reprise des études au sujet de la pile à combustible par Francis T. Bacon, qui réalise un premier prototype de 1kW en 1953, puis 5kW en 1959. Ce prototype servira de modèle pour les futures piles à combustible utilisées lors des missions spatiales Apollo.

Le très long laps de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (plus d'un siècle) qui s'est écoulé entre la réalisation du premier modèle de pile à combustible et les premières utilisations s'explique par le très fort développement qu'ont connu les autres types de générateurs d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) et par le fait que le coût des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé.

Généralités

Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est accélérée par un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) qui est généralement du platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.). Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile hydrogène-oxygène ou hydrogène-air.

Pile à combustible à l'hydrogène

Le fonctionnement d'une pile hydrogène-oxygène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) et consomme uniquement des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...). Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) non négligeable de platine nécessaire.

Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en hydrogène. Sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H2O), au soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) (H2S) et au carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production d'hydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) de l'eau, par voie thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) ou électrochimique.

Ensuite, l'hydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bars), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol (Le méthanol, également connu sous le nom d’alcool méthylique, de carbinol,...) ou de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...) qui seront ensuite transformés pour libérer de l'hydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...), de compression ou liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux...), sont généralement assez faibles. L'hydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant...), c'est un simple vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'énergie difficile à produire et à stocker.

Le principe de fonctionnement

Schéma d'une pile à combustible.
Schéma d'une pile à combustible.

La pile à combustible fonctionne à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) de l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...) de l'eau. Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique directement. C'est un générateur.

  • Elle est semblable à une pile ordinaire. Elle possède une cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) et une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) séparées par un électrolyte qui assure entre autres le passage du courant par transfert ionique des charges.
  • Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène. Le réducteur peut être aussi du méthanol ou du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent...).
  1. À l'anode, a lieu la réaction suivante : H2 → 2H+ + 2e
  2. Il y a donc production de 2 électrons par molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) de dihydrogène.
  3. L'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) par transfert des électrons dans le circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants...).
  4. À la cathode, les ions H+ sont consommés suivant la réaction : O2 + 4H+ + 4e → 2H2O

La tension (La tension est une force d'extension.) théorique produite est de 1.23 Volt.

  • Les réactions sont rendues possibles par la présence d'un catalyseur de dissociation de la molécule d'hydrogène qui peut être une fine couche de platine divisé sur un support poreux qui constitue l'électrode à hydrogène.

Pile à combustible au méthanol

Il existe deux types de piles à combustible au méthanol :

  • Les piles RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell) : dans ces piles, le méthanol est reformé pour produire l'hydrogène qui alimentera la pile.
  • Les piles DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) : dans ces piles, le méthanol est directement oxydé dans le cœur de la pile et ne nécessite pas d'être reformé.

Tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) récapitulatif des différentes technologies de piles à combustible

Description Électrolyte Ions mis en œuvre Gaz à l'anode Gaz à la cathode Puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de fonctionnement Rendement électrique Maturité Domaine
AFC – Pile à combustible alcaline Hydroxyde de potassium (L'hydroxyde de potassium, ou plus usuellement la potasse caustique ou simplement la potasse, a pour...) OH dihydrogène dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) 10 à 100 kW 60°C – 90°C Stack : 60–70 % Système : 62 % Commercialisé/ Développement Portable, transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...)
DBFC – Pile à combustible à hydrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) direct Membrane protonique

Membrane anionique

H+

OH

NaBH4 liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) oxygène 250mW/cm² 20°C – 80°C 50% monocellule Développement portable <20W
PEMFC – Pile à combustible à membrane d'échange de protons Membrane polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) H+ dihydrogène dioxygène 0,1 à 500 kW 60–100°C Stack : 50–70 % Système : 30–50 % Commercialisé/ Développement portable, transport, stationnaire
DMFC – Pile à combustible à méthanol direct Membrane polymère H+ méthanol dioxygène mW à 100 kW 90–120°C Stack : 20–30 % Commercialisé/ Développement transport, stationnaire
DEFC – Pile à combustible à éthanol direct 90–120°C Développement
FAFC – Pile à combustible à acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) formique 90–120°C Développement
PAFC – Pile à combustible à acide phosphorique (L'acide phosphorique est un oxacide à base de phosphore de formule H3PO4. C'est un triacide....) Acide phosphorique H+ dihydrogène dioxygène jusqu'à 10 MW environ 200°C Stack : 55 % Système : 40 % Développement transport, stationnaire
MCFC – Pile à combustible à carbonate fondu Carbonate de métaux alcalins CO32– dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à 100 MW environ 650°C Stack : 55 % Système : 47 % Développement/ Mise sur le marché stationnaire
PCFC – Pile à combustible à céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...) protonante 700°C Développement
SOFC – Pile à combustible à oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) solide Céramique O2– dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à 100 MW 800–1050°C Stack : 60–65 % Système : 55–60 % Développement stationnaire

Applications et perspectives

Grâce aux progrès incessants de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), dont les premiers développements dans le domaine spatial remontent aux années 1960, et à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines. Notamment pour alimenter des prototypes d'ordinateurs portables, de téléphones portables ou d'appareils photo ou encore de véhicules propres.

Cependant, la viabilité industrielle à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) de tels systèmes se heurte au faible rendement énergétique global de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des opérations. En effet, chaque étape (synthèse de l'hydrogène, séchage du gaz, stockage, vaporisation, rendement des réactions électrochimiques de la pile, circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) des fluides, régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) thermique, maintenance, récupération du platine, etc.) écorne un rendement global encore très décevant. Il suppose donc la disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on...) d'une source d'énergie primaire économique et inépuisable à l'échelle humaine.

D'autres voies de stockage et de transport de l'hydrogène peuvent aussi être envisagées pour réduire les pertes, comme par exemple, le conditionnement solide et stable de l'hydrogène sous forme de pastilles aminées.

L'utilisation de la pile à combustible en cogénération (La cogénération (ou « co-génération ») est un principe de...), permettant de valoriser la production thermique de la pile, est considérée d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) environnemental et technique comme avantageuse mais demeure encore trop chère pour une utilisation courante.

Programmes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) ou de développement

Par zones géographiques

Les USA développent de nombreux projets soutenus par le gouvernement, parfois présentés comme une des solutions majeures contre le réchauffement climatique (Le réchauffement climatique, également appelé réchauffement planétaire, ou...).

Au Canada, l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) d'Innovation en Piles à Combustible du Conseil National de Recherches du Canada (IIPC-CNRC), a été créé en septembre 2006 sur 6500 m², en Colombie britannique (UBC), dans la grappe technologique de la région de Vancouver, pilote dans ce domaine.
Il vise à développer l'industrie de l'hydrogène et des piles à combustible au Canada. C’est une plate-forme de démonstration autant que de recherche, qui abrite aussi le Programme de Vancouver sur les véhicules à piles à combustible, ainsi que le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) d’autoroute de l'hydrogène de la Colombie britannique, épaulés par des labos consacrés à l'alimentation en hydrogène et aux technologies de piles à combustible intégrées. Le site dispose de pompes géothermiques et de moyens photovoltaïques de production d'hydrogène.

En France, l’ADEME, EDF et le CEA ont installé un RESEAU "PILE A COMBUSTIBLE le 25 juin 1999 piloté par Catherine Ronge, directrice R&D d'Air liquide (Air liquide est un groupe industriel français d'envergure internationale, leader mondial des...) et Roger Ballay, directeur adjoint de la recherche à EDF, co-animé par l'ADEME et le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) avec pour mission d’accélérer les recherches sur la pile à combustible en identifiant (En informatique, on appelle identifiants (également appelé parfois en anglais login) les...) les verrous technologiques, en animer la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d’un pôle d'expertise susceptible de valoriser et diffuser les avancées de la recherche, de développer les partenariats public-privé une réflexion prospective sur le développement de ces technologies.

Automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...)

  • Daimler :
  • NECAR
  • Toute une famille de véhicules avec différents types de combustible (hydrogène gazeux, méthanol,...). A ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) (2007) Daimler a construit le plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de véhicules utilisant une pile à combustible (plus de 60).
  • Ford :
  • Focus FCV
  • General Motors :
  • Hydrogen 3 présenté en mai 2004.
  • Sequel voiture. La pile à hydrogène de 73 kW est alimentée par trois bouteilles à gaz bobinées composite de dihydrogène de 700 bars (2005).
  • Chevy Volt: concept présenté en janvier 2007 au salon automobile de Detroit (Détroit (en anglais: Detroit, API: [d??t????t]) est la principale ville de l'État du Michigan aux...) (USA).
  • Michelin :
  • prototype de voiture Hy-light fonctionnant avec une pile à hydrogène (présentation en mars 2005). La pile est alimentée par du dihydrogène provenant de trois bouteilles haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) bobinées composite.
  • PSA :
  • Projet GENEPAC (2002-2006) mené en collaboration avec le CÉA. Pile hydrogène de type PEMFC de 80 kW.
  • Toyota :
  • Voiture cinq places FCHV-4 et bus FCHV-US1. Ces programmes ont été présentés pour la première fois en 2001. Ils comportent une pile à hydrogène de 90 kW.
  • Suzuki (en collaboration avec General Motors) :
  • Prototype de voiture Mr Wagon FCW'. La pile à hydrogène est alimentée par du dihydrogène contenu dans des réservoirs à 700 bars.
  • Hyundai :
  • Tucson FCEV : voiture hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés,...). La pile à hydrogène de 80 kW est alimentée par une bouteille (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de...) à gaz bobinée composite.
  • Honda :
  • Honda FCX
  • Hummer :
  • Hummer O2
  • Peugeot (Peugeot est une marque de constructeur automobile français fondée par Armand Peugeot de la...)
  • Le modèle expérimental 207 CC
  • BMW (Bayerische Motoren Werke AG Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft.ogg  ou BMW (en...):
  • BMW Hydrogen 7
  • N'utilise pas de pile à combustible. Il s'agit d'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) classique utilisant de l'hydrogène comme combustible.

Autres domaines

  • Axane (Air liquide) :
  • Evopac, système d'alimentation autonome alimenté par du dihydrogène.
  • Système de refroidissement par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) inspiré des plantes vertes pour les piles à combustible des ordinateurs portables de demain.
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