Pile à combustible

Sommaire

1 Généralités

2 Pile à combustible à l'hydrogène

2.1 Le principe de fonctionnement
2.2 Pile à combustible au méthanol

3 Applications et perspectives

4 Programme de recherche ou de développement

4.1 Automobile
4.2 Autre

5 Lien externe

Généralités

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.La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine.

Pile à combustible à l'hydrogène

Le fonctionnement d'une telle pile est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais de telles piles sont aujourd'hui hors de prix (2005), notamment à cause des quantités non négligeables de platine qu'elles nécessitent.

Une des difficultés majeure réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. L'hydrogène n'existe en grandes quantités dans la nature que combiné à l'oxygène(H2O), au Soufre (H2S) et au Carbone (combustibles fossiles de types gaz 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 diydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en générale de 350 ou 700 bar), 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 très décevants. L'Hydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire, c'est un simple vecteur d'énergie difficile à produire et à stocker.

Le principe de fonctionnement

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schéma d'une pile à combustible

La pile à combustible fonctionne à l'inverse de l'électrolyse de l'eau. Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique. C'est un générateur.

Elle ressemble à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode 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 du méthanol ou du gaz naturel.

A l'anode nous avons la réaction suivante:

$\begin{matrix} & \\ H_2 & \overrightarrow{\qquad} & 2H^+ + 2e^-\ \\\end{matrix}$

Il y a donc production de 2 électrons par molécule d'hydrogène.
L'ion H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique.
A la cathode les ions H+ sont consommés suivant la réaction :

$\begin{matrix} & \\ O_2+4H^++4e^-& \overrightarrow{\qquad} & 2H_2O\ \\\end{matrix}$

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

Pile à combustible au méthanol

Ici, il n'est plus question de stocker de l'hydrogène : celui-ci est produit peu de temps avant d'être consommé, à partir du méthanol. On lui fait tout d'abord subir un reformage qui le transforme en dihydrogène et en monoxyde de carbone :

$\begin{matrix} & \\ CH_3OH& \overrightarrow{\qquad} & CO+2H_2\ \\\end{matrix}$

Le monoxyde de carbone étant fortement toxique, on l'oxyde pour le transformer en dioxyde de carbone :

$\begin{matrix} & \\ 2CO+O_2& \overrightarrow{\qquad} & 2CO_2\ \\\end{matrix}$

Applications et perspectives

Grace aux progrès incessants de cette technologie, dont les premiers développements dans le domaine spatial remontent aux années 1960, et à la baisse des prix, on commence à entrevoir son utilisation dans de nouveaux domaines, pour alimenter des prototypes d'ordinateurs portables, et plus intéressant de véhicules propres. Cependant la viabilité industrielle à grande échelle de tels systèmes se heurte, de plein fouet, au faible rendement énergétique global de l'ensemble des opérations qui n'excède pas les 10%.En effet chaque étape (synthèse de l'hydrogène, séchage du gaz, stockage, vaporisation, rendement des réactions électrochimiques de la pile, circulation des fluides, régulation thermique, maintenance, récupération du platine, etc.) écorne un rendement global à la fin très décevant qui suppose donc la disponibilité d'une source d'énergie primaire économique et inépuisable à l'échelle humaine. Seul le Soleil et son dérivé la fusion nucléaire répondent à ce cahier des charges.

Programme de recherche ou de développement

Automobile

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 bar (2005).

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 bobinées composite.

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 bar.

Hyundai :

Tucson FCEV : voiture hybride. La pile à hydrogène de 80 kW est alimentée par une bouteille à gaz bobinée composite.

Autre

Axane (Air Liquide) :

Evopac, système d'alimentation autonome alimenté par du dihydrogène.

Système de refroidissement par évaporation inspiré des plantes vertes pour les piles à combustible des ordinateurs portable de demain

*Cambridge Consultants [1]