Pile à combustible

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Sommaire

1 Historique
2 Généralités
3 Pile à combustible à l'hydrogène
- 3.1 Le principe de fonctionnement
4 Pile à combustible au méthanol
5 Tableau récapitulatif des différentes technologies de piles à combustible
6 Applications et perspectives
7 Programmes de recherche ou de développement
8 Liens externes

[modifier] Historique

1839 Réalisation du premier modèle de laboratoire de pile à combustible par W. R. Grove

1932 Reprise des études au sujet de la pile à combustible par F. 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 (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.

[modifier] 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. Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-oxygène.

[modifier] 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 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), 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 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. L'hydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire, c'est un simple vecteur d'énergie difficile à produire et à stocker.

[modifier] Le principe de fonctionnement

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 directement. 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.

À l'anode, a lieu la réaction suivante : H₂ → 2H⁺ + 2e^–
Il y a donc production de 2 électrons par molécule de dihydrogène.
L'ion H⁺ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique.
À la cathode, les ions H⁺ sont consommés suivant la réaction : O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O

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.

[modifier] 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.

[modifier] Tableau récapitulatif des différentes technologies de piles à combustible

Description	Électrolyte	Ions mis en œuvre	Gaz à l'anode	Gaz à la cathode	Puissance	Température de fonctionnement	Rendement électrique	Maturité	Domaine
AFC – Pile à combustible alcaline	Hydroxyde de potassium	OH^–	dihydrogène	dioxygène	10 à 100 kW	60°C – 90°C	Stack : 60–70 % Système : 62 %	Commercialisé/ Développement	Portable, transport
DBFC – Pile à combustible à hydrure de bore direct						70°C		Développement
PEMFC – Pile à combustible à membrane d'échange de protons	Membrane polymère	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 formique						90–120°C		Développement
PAFC – Pile à combustible à acide phosphorique	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	CO₃^2–	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 protonante						700°C		Développement
SOFC – Pile à combustible à oxyde solide	Céramique	O^2–	dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse	dioxygène	jusqu'à 100 MW	800–1050°C	Stack : 60–65 % Système : 55–60 %	Développement	stationnaire

[modifier] Applications et perspectives

Grâce aux progrès incessants de cette technologie, 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 de tels systèmes se heurte au faible rendement énergétique global de l'ensemble des opérations. 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 encore très décevant. Il suppose donc la disponibilité 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 de vue environnemental et technique comme avantageuse mais demeure encore trop chère pour une utilisation courante.

[modifier] Programmes de recherche ou de développement

[modifier] Par zones géographiques

Les USA développent de nombreux projets soutenus par le gouvernement, parfois présentés comme une des solutions majeures contre le réchauffement climatique.

Au Canada, l'Institut 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 autant que de recherche, qui abrite aussi le Programme de Vancouver sur les véhicules à piles à combustible, ainsi que le projet 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 99 piloté par Catherine Ronge, directrice R&D d'Air Liquide 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 les verrous technologiques, en animer la communauté scientifique autour 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.

[modifier] 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 bars (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.

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.