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Généralité sur les Piles à Combustible

Introduction :

Les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques qui convertissent directement l’énergie chimique de la réaction d’un carburant et d’un oxydant (habituellement hydrogène et l’oxygène) en électricité. Contrairement aux batteries, qui sont des dispositifs de stockage d’énergie, les piles à combustible sont considérés comme une énergie nette, sans émissions des produits polluants et nocifs, mais produisant de l’eau et de la chaleur. Selon la température de fonctionnement, on peut distinguer plusieurs types des piles à combustible, chaque type ayant ses propres caractéristiques.
Nous ne nous intéresserons ici qu’aux piles de type PEMFC. Ce type de pile est actuellement très étudié car les applications sont multiples autant dans le domaine stationnaire que dans le domaine automobile et portable.

Historique des piles à combustible

En 1839 William GROVE décrit la première pile à combustible (figure 1). Elle fonctionne à l’hydrogène et à l’oxygène, à basse température, avec des électrodes de platine et de l’acide sulfurique comme électrolyte. Dès 1855 de nouveaux concepts, à haute température, utilisant des électrolytes fondus, sont mis au point. Les résultats sont modestes et en 1939, le bilan du premier siècle de recherche est plutôt pessimiste, malgré les potentialités indéniables de la filière hydrogène.
Après 1945, trois groupes de recherche (aux Etats Unis, en Allemagne et en URSS) reprennent les études sur les principaux types de générateur, en apportant les améliorations technologiques nécessaires à un développement “ industriel ”. Ces travaux ont débouché sur les concepts actuels. Les premières applications des piles à combustible sont les programmes spatiaux (NASA : les années 60, APOLLO : 1968). L’un des moments clefs du développement des recherches sur les piles à combustible est le premier choc pétrolier de 1973. Pour la première fois apparaît la nécessité d’être indépendant sur le plan énergétique.
Ceci accélère les recherches tant aux Etats-Unis qu’en Europe et au Japon. Les recherches menées pendant cette période seront essentiellement fondamentales et viseront à développer et à améliorer les différents composants de la pile. En 1970, Du Pont met au point la membrane Nafion, qui sert d’électrolyte aux piles de type PEMFC. Malgré quelques réussites, les piles restent à cette époque coûteuse, de faible durée de vie, avec un volume et un poids trop importants pour être insérées dans un véhicule. Pour ces raisons, les travaux ralentissent ; en France, seule une veille technologique ainsi que des travaux universitaires sont maintenus. En revanche, les états Unis, le Japon et l’Allemagne ont poursuivi leurs recherches. Les PEMFC ont connu un développement accentué après 1987 avec la création de la firme canadienne Ballard.
C’est réellement au début des années 1990 que les piles connaissent un regain d’intérêt.
Cela est dû à plusieurs facteurs déterminants. L’aggravation des problèmes environnementaux liés à l’effet de serre, les progrès technologiques et les premiers prototypes (véhicules, installations stationnaires) sont développés.

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Etude des phénomènes des écoulements des gaz dans les canaux dans une pile a combustible de type PEMFC (2.47 MB) (Rapport PDF)