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Pile à combustible et pile à hydrogène: explications

27 septembre 2017

Pile à combustible et pile à hydrogène: explications

Le développement de la filière hydrogène et les efforts portés par les constructeurs automobiles pour développer de nouveaux moteurs plus propres ont donné ces dernières années une grande visibilité à la technologie PEM, appelée souvent par abus de langage « pile à combustible ».
La pile à combustible est un type de technologie où la production électrique repose sur l’oxydation d’un combustible réducteur, d’une part, et sur la réduction d’un oxydant sur l’électrode opposée.
La pile à combustible, en soit, n’est pas une technologie qui permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre, ni de produire de l’électricité propre : tout dépend du type de combustible utilisé.
Elle est constituée d’un empilement de cellules qui forment un stack.

Cellule d’un stack de pile à combustible – H2SYS

Les différents types de piles à combustible

On classe les piles à combustible selon la nature de leur électrolyte, un des éléments principaux de la pile qui permet la mobilité des ions. Celle-ci peut-être un électrolyte acide dans le cas où des ions positifs (les protons H+) migrent de l’anode à la cathode, ou basique dans le cas inverse où ce sont les ions négatifs qui se déplacent cette fois-ci de la cathode à l’anode (les anions OH- O2- ou encore CO32-).
L’électrolyte détermine la nature de la pile, sa température et ses caractéristiques de fonctionnement.

Les piles à combustible avec électrolyte acide

• La pile à hydrogène « PEM » (Proton Exchange Membrane)

. Elle transforme l’énergie chimique, libérée par la réaction entre de l’hydrogène et de l’oxygène, en énergie électrique, formant ainsi des molécules d’eau.

Pour que cette pile fonctionne, la membrane qui compose l’électrolyte doit conduire les protons hydrogène sans conduire les électrons. Afin d’augmenter les rendements électriques elle doit également limiter les pertes en flux de protons. Ainsi cette membrane est formée de Nafion® et possède une épaisseur la plus fine possible 50-100 µm.

Cette membrane est le cœur de la pile à combustible et il est nécessaire de la préserver pour permettre le bon fonctionnement de la pile. Ainsi pour augmenter la conductivité ionique de la membrane il est nécessaire de contrôler la température de fonctionnement de la pile, la pression des gaz ainsi que l’hydratation de la membrane.

La pile à hydrogène est l’une des seules piles à combustible garantissant une réaction sans production de gaz à effet de serre (avec la PAFC). L’usage d’autres gaz que l’hydrogène dégrade la membrane et réduit considérablement sa durée de vie.
C’est ce type de pile qui est utilisé dans les véhicules à hydrogène et dans les générateurs H2SYS.

• La pile à méthanol « DMFC » (Direct Methanol Fuel Cell)

. On utilise dans cette pile à combustible du méthanol CH3OH qui est directement transformé par la pile sans étape préalable de reformage.

Contrairement à l’hydrogène, qui est difficile à stocker qui doit être utilisé sous forme de gaz pressurisé pour faciliter l’usage, l’éthanol se stocke très facilement à température ambiante sous forme liquide.

Comme pour la pile à hydrogène, la pile à méthanol possède une membrane qui permet la circulation des protons hydrogène de l’anode à la cathode. Néanmoins cette membrane possède une faible efficacité et sa dégradation est importante avec le temps.

Au niveau des applications, ces piles à méthanol sont utilisés principalement pour la petite production énergétique (<3000W). La réaction chimique produisant du dioxyde de carbone, elles ne présentent d’intérêt fort comme solution permettant de réduire les gaz à effet de serre. Il est également important de noter que le méthanol reste un liquide toxique et inflammable et qu’il doit être manipulé avec précaution, le transport de cartouches de méthanol est d’ailleurs interdit à bord des avions.

• Les piles à acide phosphorique « PAFC » (Phosphoric Acid Fuel Cell).

Contrairement aux deux précédentes, l’électrolyte de la PAFC est un liquide : l’acide phosphorique.

Elle fonctionne sur la base d’une oxydoréduction électrochimique avec de l’oxygène et de l’hydrogène et permet la production d’électricité, d’eau et de chaleur. Fonctionnant sur une plage de température comprise entre 150°C et 200°C, de nombreux systèmes stationnaires ont été installés depuis les années 1990.

Elle permet notamment de répondre aux besoins sur des puissances importantes (100 kWe à 1MWe). Les coûts de ces solutions et les délais importants de mise en service ont réduit considérablement l’intérêt commercial de cette technologie, au profit des PEMFC.

Schéma de fonctionnement pile à combustible PEM/DMFC

Les piles à combustible avec électrolyte basique

On regroupe dans cette catégorie les AFC, les MCFC et les SOFC :

• La pile à oxyde solide « SOFC » (Solid Oxyde Fuel Cell)

. Elle est constituée avec des électrodes en couches de céramiques poreuses permettant le passage des molécules de gaz, et part un électrolyte imperméable au gaz, isolant électrique, composé le plus souvent par des matériaux polymères contenant de la zircone, de l’yttrium, ou du scandium.
Le choix de ces matériaux détermine la performance de la pile. Ils sont choisis en fonction de nombreux paramètres tels que l’étanchéité aux gaz, leur non-conductivité électrique, ou leur stabilité chimique. Ils doivent également permettre de résister aux températures élevées de fonctionnement de la SOFC comprises entre 700°C et 1200°C.
Cette température élevée est facilement exploitable en cogénération ce qui présente l’intérêt d’utiliser ce type de pile dans des chaudières. Néanmoins la température élevée de fonctionnement nécessite un temps de démarrage important et complique l’usage sur des cycles courts et répétitifs.

• La pile à potasse liquide « AFC » (Alkaline Fuel Cell).

Ce type de pile a été utilisé par la NASA dans les missions Apollo. Elle possède une electrolyte aqueuse d’hydroxyde de métal alcalin, composé principalement de soude (NaOH) ou de potasse (KOH).
Elle fonctionne à basse température (80°C-90°C) mais les piles peuvent être utilisées à plus de 250°C dans des conditions particulières (cas des navettes spatiales).
On ne trouve pas ce type de pile dans des applications industrielles, son volume important, et l’intolérance au CO2 (impossibilité d’utiliser de l’air ambiant) ont considérablement limité les usages.

• La pile à carbonates fondus « MCFC » (Molten Carbonate Fuel Cell)

. Ce type de pile a été développé dans les années 1950 pour contourné les obstacles technologiques des piles à oxyde solides.
Elle fonctionne à haute température (650°C) ce qui permet de valoriser les calories thermiques et d’utiliser des combustibles à base d’hydrocarbure en procédant à un reformage au niveau de l’anode.
Son électrolyte est formé le plus souvent d’un mélange de lithium-potassium.
Elle est principalement utilisée dans des applications stationnaires.