Les piles à combustible : état de l’art

Une pile à combustible est un générateur d’énergie électrique. Elle transforme directement l’énergie chimique du combustible en énergie électrique. C’est un système qui ne produit pratiquement pas de nuisances sonores, puisqu’il ne comporte pas de composants mécaniques en mouvement, comme les turbines et les moteurs. De plus, le courant électrique est produit tant que la pile est alimentée conjointement en combustible (hydrocarbures, alcools, biomasse, gaz naturel, hydrogène) et en comburant (oxygène de l’air). Aujourd’hui, la pile à combustible a atteint une maturité technique la rendant opérationnelle dans plusieurs domaines d’applications. Figure. I. 1 .Pile à combustible.

Bref historique

Robert Boyle dissout des tournures de fer dans de l’acide chlorhydrique dilué et rapporte que les ‘vapeurs’ dégagées sont hautement inflammables.  1766 : Le chimiste britannique Henry Cavendish parvient à isoler une étrange substance gazeuse qui en brulant dans l’air, donne de l’eau : « L’Hydrogène ».  1781 : Appelé jusqu’alors « gaz inflammable », ce gaz fut nommé « Hydrogène » en 1783par le grand chimiste français Antoine Lavoisier qui a effectué la synthèse de l’eau.  1782 : Les frères de Montgolfier gonflèrent des petits ballons avec de l’hydrogène pour les voir s’envoler.  Le 1er décembre 1783 : Jacques Charles poursuivit ces travaux et découla avec un ballon gonflé à l’hydrogène et parcourut 35 Km.  1804 : Le français Louis Joseph Gay-Lussac et l’allemand Alexander Von Humboldt démontrent conjointement que l’eau est composée d’un volume d’oxygène pour deux volumes d’hydrogène.  1839 : L’anglais William R. Grove découvre le principe de la pile à combustible : il s’agit d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène avec production simultanée d’électricité, de chaleur et d’eau en utilisant des électrodes de platine poreux et de l’acide sulfurique comme électrolyte.  1898 : James Dewar produit pour la première fois de l’hydrogène liquide.  1900 : Le premier « Zeppelin » effectue son vol inaugural, rempli d’hydrogène.  1931 : Harold Urey découvre le deutérium.  1939–1953 : L’anglais Francis T. Bacon fait progresser les générateurs chimiques d’électricité qui permettent la réalisation du premier prototype industriel de puissance.  Au début des années 1950, l’idée d’utiliser de l’hydrogène dans un réacteur pour la propulsion d’avion.  1960 : À partir de cette date, la NASA utilise la pile à combustible pour alimenter en électricité ses véhicules spatiaux (capsules Apollo et Gemini).

La filière d’Hydrogène 

L’hydrogène (H) est l’élément le plus abondant dans l’univers. Il compose 75% de la masse de toute la matière dans les étoiles et les galaxies. Un atome d’hydrogène a seulement un proton et un électron. Cependant l’hydrogène comme gaz (𝐻2) n’existe pas naturellement sur terre et se présente sous formes composées. Combiné avec l’oxygène, c’est l’eau (𝐻2𝑂). Combiné avec le carbone, il forme les composés organiques tels que le méthane (𝐶𝐻4), le charbon ou le pétrole. La plupart de l’énergie que nous utilisons aujourd’hui vient des carburants fossiles. Seulement sept pour cent viennent des sources d’énergie renouvelable. Dans une optique de raréfaction des carburants fossiles, l’hydrogène apparaît comme un vecteur énergétique prometteur. Puisque le gaz d’hydrogène n’existe pas naturellement sur terre, il faut le produire. Il y a plusieurs manières de faire cela. Si l’hydrogène est produit à partir de l’électrolyse de l’eau, l’électrolyseur étant alimenté à partir d’une source d’énergie renouvelable (panneau solaire, éolienne ou turbine hydroélectrique), il n’y aura pas d’émissions de dioxyde de carbone. Le développement des Chapitre I Contexte énergétique et technologique 16 piles à combustible conduira à différents modes de production liés aux méthodes locales de production énergétique. En raison de l’abondance de gaz naturel, de la disponibilité du méthanol et du propane, et du manque d’une infrastructure de production et de distribution de l’hydrogène, on prévoit que les carburants hydrocarbures seront les carburants dominants pour les applications stationnaires de piles à combustible. Tant que ces carburants sont disponibles à faible coût, le reformage hydrocarbure est la méthode la plus simple et la plus efficace pour produire de l’hydrogène. [4] Figure. I. 2.Chaine idéale d’hydrogène : Production / Stockage/ Utilisation. 

Les différentes technologies des PACs 

Depuis le début des programmes spatiaux américains de R&D sur les piles à combustible, plusieurs types de classifications ont été utilisés, Il existe actuellement cinq technologies de piles à combustible classées selon la nature de leur électrolyte dont résulte leur température de fonctionnement, basse (<150°), moyenne (200°C), haute (650°C-1000°C). [5]-[6]-[7] Chapitre I Contexte énergétique et technologique 17 On les désigne couramment à l’aide de sigles anglais indiquant l’électrolyte utilisé (exception : DMFC qui veut dire Direct Methanol Fuel Cell, un type particulier de Polymer Electrolyte Fuel Cell(PEFC)).  Les piles fonctionnant à basse température :  Pile à membrane polymère échangeuse de protons, Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC  Pile alimentée directement par méthanol, Direct Methanol Fuel Cell : DMFC.  Pile alcaline, Alkaline Fuel Cell : AFC.  Pile à acide phosphorique, Phosphoric Acid Fuel Cell : PAFC.  Les piles fonctionnant à haute température :  Pile à carbonate de fondu, Molten Caronat Fuel Cell : MCFC.  Pile à oxyde solide, Solid Oxide Fuel Cell : SOFC. Un autre facteur à considérer est l’utilisation du combustible. S’il est directement alimenté dans la pile, il sera question de pile à alimentation directe. Si le combustible doit subir une transformation chimique, par exemple le reformage du méthane à la vapeur, pour devenir utilisable, il est alors question de pile à alimentation indirecte. Dans ce qui suit, chaque type de pile sera décrit séparément et une section complète sera allouée à la pile à membrane échangeuse de protons(PEMFC).