LES PILES A COMBUSTIBLES

Depuis la fin de la mini-transat, quel superbe laboratoire entre parenthèse, on ne le dira jamais assez, l'on sait que les piles a combustible ça marche, enfin plus ou moins bien, et ca reste quand même cher. Mais au fait, c'est quoi une 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 (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 dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général 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

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.



Pile à combustible au méthanol

Dans les piles au méthanol (DMFC:Direct Methanol Fuel Cell), contrairement aux piles à hydrogène alimentées suite au reformage préalable de gaz naturel, le méthanol est directement oxydé dans le stack et ne nécessite pas d'être reformé.


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. Le soleil et son dérivé la fusion nucléaire offrent des perspectives pour répondre à ce cahier des charges. 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 chère.


Types de pile à combustible

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Avantage: Démarage rapide, modularité, insensibles au CO2, faible température de fonctionnement, souplesse de fonctionnement, bonne gestion thermique, large spectre de puissance.
Inconvéniant: Nécessite une haute purité du carburant H2, contamination de la membrane par le CO et le S, utilisation de platine à coût élevé.
Applications: Transport, source d’énergie stationnaire et portable.


Direct Methanol Fuel Cells*(DMFC)
(*Au sans large il faut inclure les piles à combutible qui son alimenté directement par n’importe que alcool)
Avantage par rapport au pile conventionel: Plus grand densité d’énergie, indépendance du reseau éléctrique, instantanement rechargable.
Avantage par rapport au autre pile a combustible: Combustible liquid ne necessite pas de reformatage, fonctionnement a temperature ambiante, démarrer rapidement, bonne réponse au changement de puissance.
Inconvéniant: Les effluents de la pile contenant du CO2, rendement faible de l'ordre de 20%.
Applications: Source d’énergie primaire ou d’énergie rechargable pour GSM, ordinateur portable, camera, lecteur de MP3, etc.


Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)
Avantages: Haute efficacité, utilisé le gaz naturel comme combustible, gaz d’échapement chaud utile pour la co-generation.
Inconvéniant: Démarage lente.
Applications: Generateur fix d’électricité pour hotels, hopitaux, co-generation.


Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
Avantages: Plus efficace que le PEM, utilisé le gaz naturel comme combustible, gaz d’échapement chaud utile pour la co-generation.
Inconvéniant: Démarage lente.
Applications: Co-generation


Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)
Avantages: Commercialement disponible.
Inconvéniant: Moin efficace que MCFC et SOFC, nécessite un reformage externe.
Applications: Application de nature fix.


Alkaline Fuel Cells (AFC)
Avantages: Electrolyte et catalyseur bon marché, démarage rapide, fonctionne à base temperature.
Inconvéniant: sensible au CO2.
Applications: Transport, portable, aerospacial (utilisé dans toute les navette spacial Americain)


Regenerative Fuel Cells
Avantages: Un même composant peu fonctionner comme pile a combustible et electrolyseur.
Inconvéniant: Pas encore disponible sous une forme commercialement exploitable.
Applications: System basé sur des sources d’énergie renouvelable, disponible de facon intermitante.


Low Operating Temperature (LOT) Fuel Cell
Avantages: Le materiel utilisé dans la production de la membrane est seulement une fraction du Nafion utlissé dans les autres piles a combustible tout en conservant le potentiel d’ameillorer l’efficacité de la pile à combustible.
Inconvéniant: Encore au stade de développement.


Hydrogen Membrane Fuel Cell (HMFC)
Avantages: Peu utiliser de l'hydrogène à 500°C. Ne nécessite pas le refroidissement de l'hydrogène. N'utilise pas de Platine (Pt). Performance supèrieur de 20% par rapport au PEMFC a une température de 510°C.
Inconvéniant: Recherche nécessaire pour limiter la quantité de Palladium (Pd) necéssaire.


Active Transport Membrane (ATM) Enzymatic Fuel Cell Battery
Avantages: L’ATM pompe de facon dynamique des protons à travel la membrane plutôt que de compter sur des processus passif comme les autres pile à combustible.
Inconvéniant: Encore au stade de développement.


Metal-Air "Fuel Cells"
Avantages: Pretant à une efficacité excellente.
Inconvéniant: Il s’agit toujours de pile conventionelle même si on retrouve des élement propre au pile à combustible.