Pile à combustible - Définition

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 réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.

Historique

• 1839 : Découverte de l'effet pile à combustible 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 (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 et par le fait que le coût des matériaux utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé.

En 2007, il semble que les PAC fonctionnant au méthanol destinées à alimenter l'électronique portable seront commercialisées avant celles destinées à l'industrie automobile.

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 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 et consomme uniquement des gaz. Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité non négligeable de platine nécessaire.

Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. Sur Terre, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H₂O, c'est-à-dire l'eau), au soufre (sulfure d'hyrogène, H₂S) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz naturel ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique.

Ensuite, le dihydrogène 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 ou de méthane qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction, sont généralement assez faibles. Le dihydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire, 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 d'une électrolyse. La réaction chimique produite par l'oxydation et la rencontre de gaz produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. Une pile a combustible produit une tension 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. Il existe plusieurs types de piles a combustibles, dont les plus connus sont:

• la pile à membrane échangeuse de protons.
• la pile à oxyde 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 et une cathode pour faire circuler le courant électrique (électrons).

• une membrane échangeuse de protons : bloque le passage des électrons et laisse passer 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.