Résumé du chapitre 3
4.2. Principe de la pile a combustible (PAC)
La pile a combustible est un générateur qui transforme l’énergie chimique en énergie électrique (voir fig. 1.6) en produisant de l’électricité et de l’eau a partir de l’oxygène et de l’hydrogène (voir fig. 4.2-a).
C’est le processus inverse de l’électrolyse de l’eau qui consiste a transformer l’énergie électrique en énergie chimique en produisant de l’hydrogène et de l’oxygène à partir de l’électricité et de l’eau (voir fig. 4.2-b).
Ces processus énergétiques sont connus depuis longtemps. L’expérience de l’électrolyse de l’eau fut réalisée pour la première fois par Sir Hemphry Davy en 1806 et ce fut Sir William Grove qui inventa la première pile à combustible 33 ans plus tard. Mais sans débouché industriel, cette invention resta méconnue durant plus d’un siècle.
En 1953, lestravauxdu britannique F.T. Bacon conduisirent au premier prototype qui permit la construction d’une pile a hydrogène pour les missions spatiales Apollo.
Aujourd’hui, la pile a combustible est toujours au stade du développement.
Dans son principe, une pile a combustible ne diffère des piles électriques que par le mode de stockage du combustible et du comburant. Ceux-ci ne sont plus emma- gasinés dans le générateur, mais proviennent de l’extérieur de la pile. Une pile au zinc, par exemple, doit être jetée lorsque le combustible est épuisé. Dans une pile à combustible, il suffit de remplir le réservoir de combustible (hydrogène) et d’alimenter en comburant (oxygène) pour continuer a obtenir du courant électri- que. La réaction chimique entre combustible et comburant s’effectue a des températures beaucoup plus basses (a partir de 80 O C ) que dans les convertis- seurs d’énergie classiques, moteurs a combustion interne ou turbines par exem- ple. Cette baisse de température a pour avantage d’éviter l’activation de l’azote de l’air et sa transformation partielle en oxydes polluants.
Au total 2 H 2 + 0 2 + 2H20 a - Pile à combustible
r
Anode
A l'anode
2H,O+ 0 2 + 4 H + + 4 e - A la cathode
4 H,O + 4 e--+ 2 H, + 4 OH- Cathode Au total
2 H,O + 2 H z + O 2
b - Électrolyse de l'eau
Figure 4.2. Schéma de principe de la pile a combustible et de l'électrolyse de l'eau.
En contrepartie, les combustibles hydrocarbonés habituels sont généralement trop peu réactifs a ces niveaux de température. Dans la plupart des cas, seul l'hydrogène convient et son activation nécessite même la mise en œuvre de cata- lyseurs particuliers à base de métaux précieux. Le méthanol peut également être envisage comme combustible, mais les performances des piles directes a métha- nol sont notablement inférieures a celles des piles a hydrogène. Pour activer le methane et les composes comportant des liaisons carbone-carbone (alcools supe- rieurs ou hydrocarbures), il faut des temperatures de fonctionnement élevées (de l'ordre de 850 a 1000 O C ) . La réalisation de piles fonctionnant dans de telles
conditions est bien entendu beaucoup plus délicate que celle de piles à basse ou moyenne temperature. On préfère donc souvent utiliser ces combustibles pour produire de l’hydrogène par reaction avec de la vapeur d’eau dans un convertis- seur situe en amont de la pile.
En pratique, on a recours au regroupement d’un nombre important de piles élémentaires pour obtenir la puissance requise. Les raccordements électriques s’effectuent en parallèle ou en série pour l’ajustement de la tension et de I’inten- site en fonction des besoins. On obtient alors des puissances intégrées pouvant aller de quelques kWe (kilowatts électriques) a plusieurs dizaines de MWe (mégawatts électriques).
Une pile élémentaire est constituée de deux electrodes en contact avec un élec- trolyte (voir fig. 4.2-a).
L’une des electrodes est alimentée en combustible (hydrogène, methanol ou hydrocarbure). C’est l’anode de la pile où s’effectue l’oxydation du combustible, c’est-à-dire la perte d’électrons :
H,
-
2 H + + 2 e - .L’autre electrode, la cathode de la pile, est alimentée en comburant (oxygène ou air). Elle est le siège de la réduction du comburant qui y gagne des electrons :
0 2 + 4 H + + 4 e - - 2 H,O
Ainsi, dans ce processus d’oxydo-reduction, des electrons sont apportes a l’anode et consommes a la cathode, générant une différence de potentiel entre les deux electrodes de la pile dès qu’elles sont alimentées en gaz.
Lorsque le circuit extérieur de la pile est ferme par une resistance, les electrons sont véhiculés de l’anode a la cathode, créant un courant électrique.
Le rendement énergétique d’une pile a combustible est le rapport entre l’énergie électrique produite et l’énergie thermique qui serait libérée par la reaction chimi- que d’oxydo-reduction. Ce rendement théorique est très élevé. II est par exemple d’environ 90 % pour une pile hydrogène-oxygène.
Cependant, le rendement électrique reel que l’on obtient en pratique est plus bas, car on doit prendre en consideration certains phénomènes comme l’irréversibilité des reactions, les défauts d’alimentation en réactifs des electrodes et les resis- tances qui s’opposent au passage des charges électriques au sein de l’électrolyte et dans les electrodes.
Si l’on prend en outre en consideration les causes liées au taux d’utilisation des réactifs et à la dépense d’énergie pour leur conditionnement préalable, on obtient, au final, pour une pile hydrogène-oxygène un rendement reel de l’ordre de 40 % a 60 % seulement.
L’hydrogène a une énergie potentielle de combustion très importante, presque trois fois supérieure à celle de l’essence ou du fuel. C’est son intérêt majeur. En outre, la PAC ne rejette que de l’eau et par consequent aucune substance polluante.
Malheureusement, elle possède des inconvénients notoires.
D’abord, a forte puissance, la pile génère beaucoup de chaleur qu’il faut évacuer (perte de rendement).
En outre, l’hydrogène est un gaz très inflammable qui doit être stocke dans des reservoirs en acier : un réservoir de 200 kg correspond en énergie à 20 litres d’essence. Pour pallier ce deuxième inconvenient, on envisage de stocker dans le véhicule un compose hydrocarbone a forte teneur en hydrogène a partir duquel on pourrait créer in situ la molecule d’hydrogène a oxyder. On reviendrait alors, finalement, a une combustion du type moteur thermique classique avec ses incon- vénients en termes de pollution.
À l’heure actuelle, il n’existe pas en Europe de projet de pile