Pile à combustible

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 couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.



Catégories :

Pile à combustible - Pile - Composant électrique - Électrotechnique

Recherche sur Google Images :


Source image : joasnow.wordpress.com
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Définitions :

  • Il s'agit d'un générateur de courant par réaction chimique. (source : france-camping-car)
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

En 2007, il semble que les PAC fonctionnant au méthanol conçues pour alimenter l'électronique portable seront commercialisées avant celles conçues pour 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 façon à favoriser l'usage généralisé de ces PAC. Le Japon espère ainsi diminuer de 50 % ses émissions de CO2 liées à la petite électronique, en proposant d'autre part des batteries dont l'autonomie sera multipliée par trois[1].

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 le dihydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que le dioxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est le plus souvent du platine. Si d'autres combinaisons sont envisageables, la pile la plus fréquemment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air.

Prospective : Certaines piles (utilisées sur les satellites) contiennent depuis les années 1960[2] des membranes en polymères (électrolyte solide acide ou alcalin) rendu conducteur, prenant la forme d'une fine membrane séparant les deux électrodes. Ces polymères contiennent du platine (rare, polluant et coûteux ; on lui cherche par conséquent des alternatives, avec en test en Chine un polymère (polysulfone ou quaternary ammonium polysulphone ou QAPS) avec une cathode (côté oxygène) en argent et une anode (côté hydrogène) en nickel plaquée de chrome [3]).

Pile à combustible à hydrogène

Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène est spécifiquement propre dans la mesure où il ne produit que de l'eau et consomme seulement des gaz. Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est particulièrement coûteuse, surtout à cause de la quantité non négligeable de platine indispensable.

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 par conséquent 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.

Par la suite, le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression généralement 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 le plus souvent assez faibles. Le dihydrogène n'est par conséquent pas une source d'énergie primaire, c'est un simple vecteur d'énergie complexe à produire ainsi qu'à stocker.

Principe de fonctionnement

Schéma d'une pile à combustible.

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

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

La force électromotrice (la tension à courant nul) théorique produite est de 1, 23 V pour une pile fonctionnant à 25 °C avec de l'oxygène et de l'hydrogène purs à 1 bar. En pratique, la tension apportée par une pile débitant un courant électrique évolue le plus souvent entre 0, 5 et 0, 8 V : cette perte de potentiel trouve son origine dans différents phénomènes physiques qui se produisent au niveau des électrodes, de l'électrolyte et des systèmes de distribution des réactifs et d'évacuation des produits (chutes ohmiques et tensions de contact) (en savoir plus).

Condensation de l'eau produite par une pile à combustible sur les parois des canaux d'alimentation en gaz. Le fil d'or à la périphérie de la cellule assure la collecte du courant (en savoir plus).

Pile à combustible au méthanol

Il existe deux types de piles à combustible au méthanol :

Contrairement aux piles utilisant l'hydrogène, celles-ci ne sont pas "propres" car elles rejettent du CO2 et même du monoxyde de carbone (CO).

Tableau récapitulatif des différentes techniques de piles à combustible

Description Électrolyte Ions mis en œuvre Gaz/liquide 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 à 90 °C Stack : 60-70 % Dispositif : 62 % Commercialisé/ Développement Portable, transport
DBFC – Pile à combustible à hydrure de bore direct Membrane protonique

Membrane anionique

H+

OH

NaBH4 liquide dioxygène 250mW/cm² 20 °C à 80 °C 50% monocellule Développement portable <20W
PEMFC – Pile à combustible à membrane d'échange de protons Membrane polymère H+ dihydrogène dioxygène 0, 1 à 500 kW 60 °C à 100 °C Stack : 50-70 % Dispositif : 30–50 % Commercialisé/ Développement portable, transport, stationnaire
DMFC – Pile à combustible à méthanol direct Membrane polymère H+ méthanol dioxygène mW à 100 kW 90 °C à 120 °C Stack : 20–30 % Commercialisé/ Développement transport, stationnaire
DEFC – Pile à combustible à éthanol direct 90 °C à 120 °C Développement
FAFC – Pile à combustible à acide formique 90 °C à 120 °C Développement
PAFC – Pile à combustible à acide phosphorique Acide phosphorique H+ dihydrogène dioxygène jusqu'à 10 MW environ 200 °C Stack : 55 % Dispositif : 40 % Développement transport, stationnaire
MCFC – Pile à combustible à carbonate fondu Carbonate de métaux alcalins CO32– dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à 100 MW environ 650 °C Stack : 55 % Dispositif : 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 O2– dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à 100 MW 800 °C à 1 050 °C Stack : 60–65 % Dispositif : 55–60 % Développement stationnaire

Applications et perspectives

Grâce aux progrès incessants de ces techniques, dont les premiers développements dans le domaine spatial remontent aux années 1960, ainsi qu'à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines. Surtout 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 dispositifs se heurte au faible rendement énergétique global de la totalité 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. ) réduit un rendement global toujours particulièrement décevant. En 2009, des chercheurs japonais ont réussi à maintenir un rendement de 56 % pendant plusieurs centaines d'heures avec une pile de 3 kW[4]. Dans le cadre du projet HiPer-FC (High Performance Fuel Cell) lancé par la NEDO en 2008, un Centre de Recherche sur les Nanomatériaux pour les Piles à Combustible travaille depuis le 25 août 2009[5]. Les chercheurs (en 2009) y sont japonais mais également nord-américains, allemands, français, coréens et chinois.

D'autres voies de stockage et de transport du dihydrogène sont envisagées pour diminuer les pertes, dont le conditionnement solide et stable du dihydrogène sous forme de pastilles aminées.

L'utilisation de la pile à combustible en cogénération, servant à valoriser la production thermique de la pile, est reconnue d'un point de vue environnemental (bruit, rejets) et technique comme avantageuse (si le dihydrogène est produit de manière propre et sûre) mais demeure toujours trop chère pour une utilisation courante.

Programmes de recherche ou de développement

Par zones géographiques

Les États-Unis développent de nombreux projets soutenus par le gouvernement, quelquefois 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 6 500 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 tout autant que de recherche, qui abrite aussi le Programme de Vancouver sur les véhicules à piles à combustible, mais aussi le projet d'autoroute de l'hydrogène de la Colombie britannique, épaulés par des laboratoires consacrés à l'alimentation en hydrogène ainsi qu'aux techniques de piles à combustible intégrées. Le site dispose de pompes géothermiques et de moyens photovoltaïques de production d'hydrogène.

L'Europe s'est pourvue en 2008 d'un cadre (règlement européen) pour le développement des véhicules à hydrogène (comme combustible), mais soutient aussi des projets de recherche sur les piles à hydrogène

En France, l'ADEME, EDF et le CEA ont installé un réseau "PILE A COMBUSTIBLE" le 25 juin 1999 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'Énergie Atomique (CEA). Ce réseau avait pour missions d'accélérer les recherches sur la pile à combustible en identifiant les verrous technologiques, d'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 et une réflexion prospective sur le développement de ces techniques.

Depuis 2005, en France, le réseau PACo a été remplacé par le programme PANH (Plan d'action sur l'hydrogène et les piles à combustible) de l'ANR (Agence nationale de la recherche)

Dans le nord de la France, le laboratoire de nanotechnologies de l'Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie a réalisé en mai 2009 une pile à combustible de très petites dimensions (5 x 3.6 mm) [6].

Automobile

  • BMW Hydrogen 7
  • N'utilise pas de pile à combustible. C'est un moteur à combustion classique utilisant de l'hydrogène comme combustible.
  • NECAR
  • Toute une famille de véhicules avec différents types de combustible (hydrogène gazeux, méthanol... ). À ce jour (2007) Daimler a construit le plus grand nombre de véhicules utilisant une pile à combustible (plus de 100). Mercedes a d'ailleurs annoncé la production en série pour le grand public de la classe B Hydrogène en 2010.
  • Focus FCV
  • Sequel voiture. La pile à hydrogène de 73 kW est alimentée par trois bouteilles à gaz bobinées composite de dihydrogène de 700 bars (2005).
  • Chevy Volt : concept présenté en janvier 2007 au salon automobile de Detroit (États-Unis).
  • Hydrogen 4 présenté le 6 mars 2008 au 78ème Salon International de l'Automobile de Genève (Suisse). La pile à combustible du GM HydroGen4 se compose de 440 cellules connectées en série. La totalité du dispositif offre une puissance électrique atteignant 93 kW alimentant un moteur électrique synchrone de 73 kW soit 100 ch. Il autorise l'HydroGen4 de franchir le zéro à 100 km/h en 12 secondes à peu près. Le HydroGen4 dispose d'un dispositif de stockage comprenant trois réservoirs à haute pression de 700 bars réalisés en fibre de carbone, pouvant contenir 4, 2 kg d'hydrogène. Ce qui permet une autonomie atteignant 320 kilomètres[7].
  • Honda FCX Clarity : première voiture de série, commercialisé (en location) au Japon ainsi qu'aux États-Unis (État de Californie). Véhicule 5 places, équipé d'un réservoir d'une pression de 350 bars.
  • Honda CR-X
  • Tucson FCEV : voiture hybride. La pile à hydrogène de 80 kW est alimentée par une bouteille à gaz bobinée composite.
  • 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.
  • prototype de voiture Hy-light 2 fonctionnant avec une pile à combustible fabriqué par Michelin même. Elle a été présentée en septembre 2007. Comparé à la hy-light, la 2ème génération possède des batteries et plus des supercapacités.
  • Projet GENEPAC (2002-2006) mené en collaboration avec le CEA. Pile hydrogène de type PEMFC de 80 kW.
  • Le modèle expérimental 207 CC
  • en 2008 présentation du prototypes Renault scénic ZEV H2 à pile à combustible [8].
  • Prototype de voiture Mr Wagon FCW'. La pile à hydrogène est alimentée par du dihydrogène contenu dans des réservoirs à 700 bars.
  • 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.
  • Prévu pour 2015, Toyota annonce (juin 2009) le développement de voitures électriques entièrement fondées sur les piles à combustion en vente (au contraire de actuellement où les voitures électriques sont en leasing) [9].

Autres domaines

Références

  1. (en) Nikkei Net (29 septembre 2007)
  2. ex : Nafion de Dupont de Nemours, pour le PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell, pile à combustible à membrane échangeuse de protons), ces piles utilisées dans l'Espace
  3. Shanfu Lu, Jing Pan, Aibin Huang, Lin Zhuang, and Juntao Lu Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts ; Résumé (en anglais) PNAS 2008 105 : 20611-20614.
  4. Brève de l'ambassade de France au Japon / ADIT intitulée «Rendement record pour une nouvelle pile à combustible» (BE Japon 501 du 2009 05 18), selon une source japonaise
  5. Centre initié en 2008 par la NEDO, le METI et le département de Yamanashi. Il est basé sur le campus de Kofu de l'Université de Yamanashi, piloté par le Pr. Masahiro WATANABE
  6. Actualité du site Techno-Sciences. net
  7. http ://www. gmeurope. info/geneva08/downloads/gm/fr/pdf/FR_GM_at_78th_Motor_Show_in_Geneva. pdf
  8. http ://www. renault. com/renault_com/fr/main/50_INOVATION_ET_TECHNOLOGIE/40_Environnement/_Scenic_ZEV_H2/index. aspx
  9. http ://www. e24. fr/entreprises/transport/article103355. ece/Toyota-nouveau-projet-nouveau-patron. html


Voir aussi

Liens externes

Bibliographie


Recherche sur Amazone (livres) :



Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_%C3%A0_combustible.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu