Pile à combustible - Définition et Explications

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 symbole O et de numéro atomique 8.) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude,...).

Historique

1839 Découverte de l' effet pile à combustible (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)...) 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 combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une...) 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 changement dans le monde.) (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 effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la...) 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 faire des objets.) 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 matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) 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 ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs...) 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 organismes vivants connus.) et consomme uniquement des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...). 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, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) 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 croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...), 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 numéro atomique 16.) (H₂S) et au carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie,...) de l'eau, par voie thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) 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, d’alcool de bois, de naphte de bois ou d’esprit de bois est un...) ou de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et...) 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 à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Les molécules comportent deux atomes...), de compression ou liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la transformation inverse...), 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 toute transformation. Si elle n’est pas utilisable directement, elle doit...), c'est un simple vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de...) d'énergie difficile à produire et à stocker.

Le principe de fonctionnement

La pile à combustible fonctionne à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) de l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) 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 cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile...) et une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une...) 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 naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.).

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 peut exister à l'état libre, et qui représente...) de dihydrogène.
3. L'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».) 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 électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) par transfert des électrons dans le circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques parcouru par un courant électrique.).
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 étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) de fonctionnement	Rendement électrique	Maturité	Domaine
AFC – Pile à combustible alcaline	Hydroxyde de potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de numéro atomique 19.)	OH–	dihydrogène	dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions...)	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 souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...)
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 facilement déformable mais difficilement compressible.)	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 système formé par un ensemble de macromolécules de même nature chimique. Les termes « polymère » et...)	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 avec un autre type de composé chimique...) 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. Il intervient souvent en minéralogie et a une importance capitale en biochimie.)	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), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation...) protonante						700°C		Développement
SOFC – Pile à combustible à oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion...) 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 véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme...) de tels systèmes se heurte au faible rendement énergétique global de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) 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 sur une route.) des fluides, régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) 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 obtient en divisant la durée durant laquelle ledit équipement...) 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, 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 l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également...) 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 réchauffement global, est un phénomène d'augmentation de la température moyenne des océans et de l'atmosphère, à...).

Au Canada, l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) 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 (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en s'appuyant sur un...) 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 priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) 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 gaz industriels, c'est-à-dire des gaz pour l'industrie, la santé, l'environnement.) 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 informations permettant à une personne de s'identifier auprès d'un...) 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 se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) 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 moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...)

• 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 période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) (2007) Daimler a construit le plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 États-Unis, largement plus connue que sa capitale Lansing, et est le siège du comté de Wayne. Fondée en 1701 par des marchands de fourrure...) (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 à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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, sous-espèces (croisement intraspécifique),...). 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 chaque côté du tableau arrière servant de toilettes aux officiers du bord.) 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 famille Peugeot en 1896. Le siège est à Paris et les bureaux d'étude et de recherche à Vélizy, La Garenne-Colombes,...)

• Le modèle expérimental 207 CC

• BMW (Bayerische Motoren Werke AG Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft.ogg  ou BMW (en français : manufacture bavaroise de moteurs) est une société industrielle allemande constructrice d'automobiles...):

• 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 qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne,...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) 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 de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est...) inspiré des plantes vertes pour les piles à combustible des ordinateurs portables de demain.

• Cambridge Consultants