Pile à combustible - Définition et Explications

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Introduction

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 (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) 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 l'allemand Christian Schönbein.
  • 1839-1842 : Réalisation du premier modèle de laboratoire de pile à combustible 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 1 kW en 1953, puis 5 kW 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.

En 2007, il semble que les PAC fonctionnant au méthanol (Le méthanol, également connu sous le nom d’alcool méthylique, de carbinol,...) destinées à alimenter l'électronique portable seront commercialisées avant celles destinées à l'industrie automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...).

Ce n'est que mi-2007 que sous l'égide du Japon un début de réflexion sur des normes, règles et standards de fabrication et de sûreté a commencé, de manière à faciliter l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) généralisé de ces PAC. Le Japon espère ainsi réduire de 50 % ses émissions de CO liées à la petite électronique, en proposant par ailleurs des batteries dont l'autonomie sera multipliée par trois.

Pile à combustible à hydrogène

Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène 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 (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) nécessaire.

Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...). 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, c'est-à-dire l'eau), au soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) (sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré...) d'hyrogène, H2S) et au carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) (combustibles fossiles de types gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent...) ou pétroles). La production de dihydrogène 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, le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de...) à gaz (pression en général de 350 ou 700 bars), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol 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 du dihydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux...), sont généralement assez faibles. Le dihydrogène 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 d'énergie difficile à produire et à stocker.

Principe de fonctionnement

Le principe de la pile à combustible est l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) d'une électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...). La réaction chimique produite par l'oxydation et la rencontre de gaz produit de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...), de l'eau et de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...). Une pile a combustible produit une tension (La tension est une force d'extension.) électrique de 1.2 volts environ et une chaleur pouvant monter jusqu'a 60-80°C. L'eau est évacuée sous forme de vapeur () avec l'excédent de dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...). Il existe plusieurs types de piles a combustibles, dont les plus connus sont:

  • la pile à membrane échangeuse de protons.
  • la pile à oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) solide.

La pile a membrane échangeuse de protons.

Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons comporte:

  • deux plaques bipolaires:
    1. une pour distribuer l'hydrogène.
    2. une pour distribuer l'oxygène et évacuer l'eau
  • deux électrodes : une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) et une cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) pour faire circuler le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) (électrons).
  • une membrane échangeuse de protons : bloque le passage des électrons et laisse passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) les ions H+
  • deux catalyseurs : accélèrent les réactions entre gaz.

L'hydrogène (provenant d'une électrolyse ou d'un réformage d'hydrocabures) entre par la plaque bipolaire gauche. Arrivé a l'anode, le dihydrogène (H) se dissocie (oxydation) en protons et en électrons selon: 2H=4H+ + 4e-. Les protons traversent alors la membrane, mais les électrons, bloqués, sont contraints d'emprunter un circuit exterieur, ce qui va générer un courant électrique.

A la cathode, les protons, les électrons, et du dioxygène (pur ou provenant de l'air) se rencontrent pour former de l'eau selon : 2H+ + 2e- + 1/2 O= HO. L'eau et le dioxygène passent par la plaque bipolaire droite. Cette réaction va produire également de la chaleur pouvant être récupérée.

La pile à oxyde solide

Le principe est similaire. La seule différence est que la membrane échangeuse de protons est remplacée par une autre membrane appelée "membrane a oxyde solide". Les molécules dans la pile à combustible ne vont alors pas réagir de la même façon:

  • Dans un premier temps, l'hydrogène entre par la plaque bipolaire gauche et arrive sur l'anode.
  • Là, l'hydrogène se dissocie (2H=4H+ + 4e-).(jusque là, aucun changement).
  • Les électrons (e-) emprunteront un circuit exterieur, mais les ions (H+), au lieu de traverser la membrane, resteront sur l'électrode.
  • Après avoir traversé les dipôles, les électrons rejoignent la cathode chargée en dioxygène. Les deux molécules vont

former un assemblage de molécules appelé (O²-).

  • Les O- traversent la membrane, se combinent avec les ions pour former de l'eau selon: 4H+ + 4e- + 1/2 O= 2H+ 1/2 O= HO

Mais cette sorte de pile n'est pas plus performante que la pile à membrane échangeuse de protons et sa fabrication coûte plus cher.

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