|
Les piles à combustible |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Par Par Sabine Vico a,b
et Thomas Doneux b. a Laboratoire de chimie des polymères b Service de chimie analytique et des interfaces Faculté des Sciences |
Après quelques généralités, nous aborderons l'aspect historique de la pile à combustible avant de donner son principe de fonctionnement. Les différents types de piles à combustible seront ensuite passés en revue ainsi que leurs potentialités d'application. Nous discuterons de l'environnement technologique nécessaire en amont de la pile. Enfin, nous terminerons sur les avantages et les inconvénients présentés par les piles à combustible. Généralités On appelle pile à combustible (PAC) une pile dont l'alimentation en réactifs ainsi que l'évacuation des produits s'opèrent de façon continue. Le combustible (hydrogène, méthanol,...) joue le rôle de réducteur, tandis que le comburant (oxygène pur, air) est l'oxydant. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Figure: Conversion directe d'énergie par une PAC en comparaison avec la technologie conventionnelle de conversion indirecte |
Le rapport de la quantité d'électricité sur la quantité de chaleur fournie est de 1 pour une pile à combustible alors qu'elle équivaut à 0,5 pour une turbine à gaz classique. A quantités de chaleur égales, l'électricité fournie par une pile à combustible est donc deux fois plus importante. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Cliquez sur l'image pour l'agrandir |
Une pile à combustible est composée de l'assemblage de cellules élémentaires, qui comportent chacune un compartiment cathodique alimenté en comburant et un compartiment anodique alimenté en combustible. Le compartiment cathodique contient une électrode appelée cathode où se produit la réduction du comburant. L'oxydation du combustible a lieu dans le compartiment anodique, au niveau d'une électrode appelée anode. Les deux compartiments sont séparés par un électrolyte, solide ou liquide selon le type de pile. Une pile à combustible se différencie des autres piles par le fait que les réactifs sont renouvelés et les produits évacués en permanence. Historique W.R. GROVE, considéré comme le père de la pile à combustible, réalisa en 1839 une pile hydrogène - oxygène qui n'était rien d'autre qu'une cellule d'électrolyse de l'eau inversée qu'il appela élément voltaïque gazeux. Il utilisait des électrodes de platine et de l'acide sulfurique comme électrolyte pour réaliser la combinaison du dihydrogène et du dioxygène avec formation d'eau en produisant du courant électrique. Cette pile fonctionnait à basse température. La pile à combustible était inventée. Cependant, la principale matière première énergétique étant, à l'époque, le charbon, on songea rapidement à mettre au point des piles dont il serait le combustible. Dès 1855, de nouveaux concepts, à haute température, utilisant des électrolytes fondus, furent mis au point. Les résultats furent modestes, et en 1939, le bilan du premier siècle de recherches était plutôt pessimiste, malgré les potentialités indéniables des piles à combustible. Après 1950, les réalisations pratiques se multiplièrent et en 1959 apparut la première pile industrielle de T.F. BACON et J.C. FROST, de l'Université de Cambridge. C'était une pile hydrogène – oxygène d'une puissance de 6 kilowatts capable d'actionner une scie circulaire, un poste de soudure... Presque simultanément aux Etats-Unis, H.K. IHRIG montra au public un tracteur de 20 chevaux fonctionnant avec une pile à combustible. Cette présentation fascina les industriels et suscita de nombreuses recherches notamment celles en relation avec la propulsion des voitures. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cliquez sur l'image pour l'agrandir La PAC embarquée dans les missions Gemini de la NASA de 1962 à 1966. Ce module était fabriqué par General Electric et pouvait fournir une puissance de 1kW. Source : site internet
|
Les premières applications « commerciales » des piles à combustible sont liées aux programmes spatiaux américains du début des années 60 : Gemini et Apollo. (voir figures ci-contre) Les piles à combustible ont tout pour satisfaire nos besoins en électricité ; elles ont un haut rendement, un fonctionnement silencieux et ne polluent pas. Cependant, fournir de l'énergie électrique à un prix envisageable pour explorer la lune ne signifie pas qu'on puisse produire actuellement de l'énergie électrique à un prix compétitif pour notre usage quotidien. Signalons toutefois que plusieurs constructeurs automobiles ont récemment présenté des prototypes fonctionnant avec une pile à combustible. Principe de fonctionnement Une pile à combustible est un assemblage de cellules élémentaires, en nombre suffisant pour assurer la production électrochimique d'électricité dans les conditions de tension et courant souhaitées. Chaque cellule élémentaire est constituée de deux compartiments disjoints alimentés chacun par les gaz réactifs. Les deux électrodes, ainsi que l'électrolyte, complètent le dispositif. L'électrolyte peut être solide ou liquide ; celui-ci a pour fonction d'assurer le transport des ions d'un compartiment à l'autre. Certains électrolytes ne sont efficaces qu'à hautes températures, et nécessitent donc un préchauffage externe avant toute production électrique. De façon générale, le fonctionnement électrochimique d'une cellule unitaire de pile à combustible peut se schématiser sous la forme donnée ci-dessous.
Pour les piles de haut rendement fonctionnant à basse température, le combustible le plus employé est l'hydrogène sous forme gazeuse. Suivant la nature de l'électrolyte, acide ou basique, l'eau formée suite à l'oxydation de l'hydrogène est produite à l'anode ou à la cathode. Réactions dans une pile alcaline (basique) :
Réactions dans une pile acide :
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cliquez sur l'image pour l'agrandir Schéma d'une zone active au niveau de la cathode d'une cellule de pile à combustible H2/O2 |
Le passage des ions (H+, OH-, ...) sous une forme plus ou moins hydratée, se fait au travers de l'électrolyte sous l'effet du champ électrique créé. Dans le cas de la réaction la plus généralement utilisée, on produit donc, à partir d'hydrogène et d'oxygène, de l'eau, de l'électricité et de la chaleur (signe des irréversibilités du processus) : on peut considérer que le processus s'apparente à la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau. L'alimentation de chaque cellule élémentaire se fait par des canaux qui se chargent aussi d'évacuer éventuellement les sous produits des réactions. Une partie de la difficulté de la conception des piles à combustible est liée à la création de zones actives, qui doivent mettre en présence à la fois le gaz réactif, les électrons, les protons et le catalyseur. Cette condition est remplie si l'électrolyte recouvre le catalyseur (le plus souvent du platine), et si le gaz diffuse à travers les électrodes. Ceci est réalisé si l'on utilise des électrodes poreuses. L'énergie récupérable du système correspond à l'énergie libre de Gibbs et équivaut dans les conditions standard à 25°C (298 K) à 237 kJ/mole de H2. L'avantage essentiel d'une pile à combustible pour la production d'électricité réside dans le fait que son rendement de conversion reste très élevé, non limité par le rendement de Carnot. Il surpasse largement les résultats des meilleurs systèmes thermodynamiques classiques, de type turbine ou moteur à gaz. Les différents types de piles à combustibles Les piles à combustible sont habituellement classées selon la nature de l'électrolyte, qui détermine, entre autres, la température de fonctionnement optimale. On peut distinguer dans un premier temps, les piles alcalines des piles à électrolyte acide. Les piles alcalines (AFC pour Alkaline Fuel Cell) sont basées sur l'usage d'un seul électrolyte, tandis que les piles à électrolyte acide représentent une gamme beaucoup plus variée. On distingue :
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Réactions impliquées dans les PAC
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Perspectives d'applications La pile à combustible peut être considérée comme un générateur d'électricité portable et autonome, si elle dispose de sa propre réserve de combustible. Elle est donc très sérieusement envisagée comme une candidate alternative aux moteurs thermiques dans la plupart des modes de transports, terrestres ou maritimes. Produisant électricité et chaleur à parts sensiblement égales, selon le type de pile (niveau de température), un grand nombre d'applications en cogénération (sous entendu : d'électricité et de chaleur) sont envisageables pour des cibles diverses, allant de l'habitat individuel à tout type de bâtiment collectif ou tertiaire, sans oublier les sites industriels. Au vu des très bons rendements électriques que l'on peut obtenir, il peut même être envisagé, pour des applications statiques, de ne récupérer que le courant produit notamment dans les zones où, pour des raisons de bruit et de pollution, l'installation de tout autre générateur est exclue. L'utilisation des piles à combustible est donc envisagée dans le domaine des transports, dans des applications statiques et dans bien d'autres domaines. L'environnement technologique immédiat nécessaire au bon fonctionnement d'un système basé sur l'utilisation d'une pile à combustible L'expérience actuelle sur les systèmes réels se basant essentiellement sur les piles basses températures (principalement PEMFC et PAFC), on se limitera dans la suite à décrire les systèmes auxiliaires nécessaires pour faire fonctionner ce type de pile. Ces auxiliaires permettent, tout d'abord, l'alimentation de la pile en gaz réactifs compatibles (combustible et comburant), ayant éventuellement subi une série de transformations chimiques, ainsi qu'en énergie auxiliaire, souvent nécessaire pendant la phase de démarrage. Ils sont donc situés en amont de la pile. D'autres auxiliaires ont pour fonction d'évacuer les produits issus des réactions internes à la pile, aussi bien les vecteurs énergétiques utiles (électricité, chaleur) que les sous produits plus ou moins indésirables (combustible « imbrûlé », comburant appauvri, ...). Ces composantes se trouvent donc en aval de la pile. Enfin, il ne faudrait pas négliger l'ensemble des organes de régulation et commande, garants du bon fonctionnement de l'installation, tant en termes d'efficacité que de sécurité. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cliquez sur l'image pour l'agrandir  Comparaison des émissions atmosphériques en CO, en NOx et en hydrocarbures, de 3 véhicules automobiles respectivement équipés d'un moteur à combustion interne (MCI) en 1996, d'un MCI en 2003 (projection) et d'un DMFC (projection). Source : site internet |
Conclusions Les avantages des piles à combustible sont nombreux. Les PAC présentent un haut rendement énergétique. Pratiquement aucun effet d'échelle n'est observé : la plus petite cellule de quelques watts a la même efficacité qu'une centrale de plusieurs mégawatts. On peut dès lors moduler les installations en fonction des besoins. Par ailleurs, il n'existe aucune nuisance sonore. Les effectifs de maintenance peuvent être réduits au minimum. De plus, les émissions polluantes sont quasi nulles : absence d'imbrûlés, absence d'émission de SOx, des émissions (dans le cas des DMFC) de CO et de NOx cinquante fois inférieures aux systèmes concurrents, deux fois inférieures en CO2. Les gaz d'échappement sont essentiellement pollués en vapeur d'eau. Enfin, l'eau produite par une pile à combustible est de très grande pureté. Malgré tout, il subsiste un désavantage majeur qui limite l'utilisation des piles à combustible : le coût ! A cela vient s'ajouter une durée de vie limitée à ce stade du développement. Remerciements Nous tenons à remercier Marc Steichen et Arnaud Gielen, étudiants en 1ère Licence Chimie, pour leur contribution à l'élaboration de ce texte. Références : " Fuel Cells and Their Applications ", " Systèmes de piles à combustible pour la cogénération : état de l'art ", |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
