Piles à combustible écologiques
L’intérêt pour les piles à combustible écologiques (PAC) progresse depuis les années 1990 et encore plus actuellement avec l’engouement pour l’hydrogène.
Cet intérêt se démultiplie notamment depuis l’aggravation des problèmes environnementaux et la focale sur le réchauffement climatique et la pollution atmosphérique.
Cette technologie est souvent présentée comme la solution idéale pour produire de l’énergie électrique propre.
Mais les piles à combustible présentent pourtant encore des obstacles majeurs pour être des piles à combustible écologiques :
- le coût des matériaux
- la production carbonée de l’hydrogène (dioxygène)
- le développement de masse
Technologie de la PAC
La pile à combustible (PAC), découverte en 1839, utilise le principe inverse de l’électrolyse de l’eau qui consomme de l’électricité pour produire hydrogène et oxygène.
Bien qu’encore au stade de prototype, la pile à hydrogène de type PEMFC est en effet la mieux placée pour une production de masse dans le transport et l’électronique.
On emploie généralement le terme de piles à hydrogène pour designer en fait une pile à combustible qui utilise de l’hydrogène ou un combustible hydrogéné.
Ce type de pile ne rejette aucun élément polluant lors de la distribution d’énergie.
Par contre le rendement d’une telle pile à combustible varie entre 30 et 70% avec une moyenne de 50%.
Globalement, 50% de l’énergie de l’hydrogène est convertie en électricité et 50% en chaleur.
Le couple pile à combustible avec moteur électrique est d’ailleurs plus efficace qu’un moteur à combustion interne.
En effet, avec un 1kWh thermique produit à partir de carburant fossile on obtient 0,2 à 0,4 kWh d’énergie mécanique (la différence se dissipant sous forme de chaleur).
A l’inverse avec 1kWh électrique, on obtient de 0,5 à 0,6 kWh d’énergie mécanique.
Mise en œuvre pratique
Une pile à combustible (PAC) est une pile dans laquelle la génération d’une tension électrique se fait grâce à l’oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur couplée à la réduction sur une autre électrode d’un oxydant, tel que l’oxygène de l’air.
Le cœur d’une PAC comprend trois éléments dont deux électrodes :
- une anode oxydante (émettrice d’électrons)
- une cathode réductrice (collectrice d’électrons)
- un électrolyte (sépare l’anode et la cathode)
Il n’y a donc pas de pièces mobiles nécessaires à son fonctionnement.
L’électrolyte bloque les électrons et les oblige ainsi à passer par le circuit extérieur de la pile.
Cela permet d’exploiter leur énergie électromotrice.
Cet électrolyte peut-être acide et dans ce cas il envoie les ions positifs (protons H+) de l’anode à la cathode.
Il peut-être aussi basique (anions OH-, O2-, CO32-) et dans ce cas il envoie les ions négatifs de la cathode à l’anode.
Combustibles pour PAC
Concrètement les PAC peuvent utiliser plusieurs types de combustibles gazeux ou liquides.
Ainsi dans une pile à combustible, l’hydrogène se combine à l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité.
Et dans ce cas la pile ne rejette que de l’eau.
Quand la PAC utilise un autre combustible, comme le gaz naturel, les émissions de dioxyde de carbone sont en effet un peu plus faibles qu’avec un moteur thermique.
En définitive on classe les piles à combustible en fonction du combustible et de leurs domaines d’application :
Pour le combustible :
Il en existe 3 types ;
- piles à combustible à hydrogène.
- piles à Tétrahydruroborate de sodium (NaBH4) de faibles puissances
- combustible au méthanol avec rejets de CO et de CO2
Pour les domaines d’application :
- appareils portables (avec micro et mini-PAC) : ordinateurs, smartphones, tablettes tactiles,
- cogénération chaleur/électricité
- défense : sous-marins et l’espace
- production stationnaire d’électricité
- transports : aéronefs, bus, voitures électriques
Différents modèles de PAC
Les piles à combustible écologiques sont diverses.
Il en existe ainsi 6 modèles qui se distinguent par la température de fonctionnement, la nature de l’électrolyte et la nature du combustible :
- AFC à potasse liquide (Alkaline Fuel Cell)
- DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)
- MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
- PAFC (Phosphorique Acid Fuel Cell)
- PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
- SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell)
En définitive, il existe différentes combinaisons de fonctionnement :
AFC à potasse liquide (Alkaline Fuel Cell)
Cette PAC à potasse est une pile à électrolyte alcalin (KOH) liquide.
Elle est célèbre car la NASA en dota ses missions Apollo.
L’Alkaline Fuel Cell fait ainsi partie des piles fonctionnant dans une large gamme de température ; de 25 à 260° C.
De plus l’Alkaline Fuel Cell (AFC) se distingue notamment avec son électrolyte liquide alcalin qui utilise l’ion OH- libéré par réduction catalytique sur la cathode.
En effet l’électrolyte liquide alcalin est meilleur conducteur ionique que les membranes échangeuses de protons.
La pile de type AFC possède ainsi des densités d’énergie volumique et massique accessible plus importantes que les piles de type PEMFC.
Toutefois ses performances sont réduites.
Et cela en raison du phénomène de carbonatation de l’électrolyte liquide dû au dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’air.
Son volume important et son intolérance au CO2, limitent malgré tout son usage.
DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)
La Direct Methanol Fuel Cell sert pour la petite production énergétique (<3000W).
C’est une sous catégorie de la pile à combustible à membrane d’échange de protons.
La DMFC possède ainsi une membrane qui permet la circulation des protons hydrogène de l’anode à la cathode.
La DMFC produit du courant à partir du méthanol contenu dans une cartouche à combustible (sans étape préalable de reformage) et en plus de l’oxygène de l’air.
Le méthanol est ainsi directement converti en électricité.
MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
La pile à combustible Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) fait partie de celles fonctionnant à haute température à partir de 600 °C.
La MCFC est une pile à électrolyte liquide aux carbonates fondus.
En effet elle utilise des carbonates de lithium et de potassium fondus (Li2CO3, K2CO3) pour faire migrer des ions CO32-.
Son anode est généralement réalisée en alliage nickel-chrome avec au moins 10% de chrome.
Par contre cette PAC fonctionne sans catalyseur comme les piles à plus basse température.
La Molten Carbonate Fuel Cell utilise les réactions d’oxydoréduction électrochimiques contrôlées d’hydrogène et d’oxygène.
Elle développe une production simultanée d’électricité (W), d’eau (H2O) et de chaleur (Q).
PAFC (Phosphorique Acid Fuel Cell)
La pile Phosphorique Acid Fuel Cell a une plage de température de fonctionnement comprise entre 150°C et 200°C.
L’électrolyte de la PAFC est un liquide ; l’acide phosphorique.
Elle permet la production d’électricité, d’eau et de chaleur grâce à l’oxydoréduction électrochimique de l’oxygène et de l’hydrogène.
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
La Proton Exchange Membrane Fuel Cell est une pile à électrolyte polymère solide et à échange de protons H+.
En effet sa membrane doit conduire les protons hydrogène sans conduire les électrons.
Cette membrane doit être la plus fine possible (entre 50-100 µm) et limiter les pertes en flux de protons.
La membrane est formée de Nafion® pour la préserver.
SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell)
La Solid Oxyde Fuel Cell est une pile à électrolyte solide, de type oxyde.
Sa plage de température de fonctionnement est ainsi comprise entre 700°C et 1200°C.
Elle possède des électrodes en couches de céramiques poreuses qui permettent le passage des molécules de gaz.
Son électrolyte est imperméable au gaz et il est composé avec des matériaux polymères contenant de la zircone, de l’yttrium, ou du scandium.
Ce sont ces matériaux qui déterminent la performance de la pile.
Les SOFC peuvent utiliser de nombreux combustibles.
Article : P. du Chélas
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Photo : CEA & nordfranceinvest.fr
