vignette|redresse|Pile à combustible au méthanol de la NASA. Une pile à combustible est un générateur électrochimique produisant une tension électrique grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple le dihydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. Elle est distincte de la pile électrique, qui fonctionne également par réaction d'oxydoréduction, mais qui est constituée d'empilements de métaux..
Historique
L'effet pile à combustible est découvert par l'Allemand Christian Schönbein en 1839. Le premier modèle de laboratoire de pile à combustible est réalisé par William R. Grove sur les trois années suivantes. En 1889, Ludwig Mond et Carl Langer donnent à la pile à combustible son nom et sa forme actuelle. Francis T. Bacon reprend les études de la pile à combustible en 1932 et réalise un premier prototype de en 1953, puis de en 1959. Ce prototype servira de modèle pour les futures piles à combustible utilisées lors des missions spatiales Apollo.
La longue période (plus d'un siècle) qui s'est écoulée entre la réalisation du premier modèle de pile à combustible et les premières utilisations s'explique par le très fort développement qu'ont connu les autres types de générateurs d'énergie électrique et par le fait que le coût des matériaux utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé..
Généralités vignette|Piscine municipale de Woking. Première expérience anglaise de pile à combustible fonctionnant en cogénération (production simultanée de chaleur et d'électricité).
Une pile à combustible est un générateur électrique dans lequel la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation, sur une électrode, d'un combustible réducteur (par exemple le dihydrogène), couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que le dioxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air, car la production de dihydrogène est maîtrisée (très majoritairement à partir d'hydrocarbures, mais aussi par électrolyse de l'eau, le dihydrogène étant un vecteur énergétique), et des recherches sont à l'étude pour en trouver à l'état naturel...
Évolutions techniques Depuis 1977, certaines piles à combustible (utilisées sur les satellites) contiennent des membranes en polymères (électrolyte solide acide ou alcalin) rendus conducteurs, prenant la forme d'une fine membrane séparant les deux électrodesExemple : Nafion de Dupont de Nemours, pour la PEMFC (, « pile à combustible à membrane échangeuse de protons »), piles utilisées dans l'espace.. Ces électrodes contiennent du platine, qui agit comme catalyseur de la réaction. S'agissant d'un métal rare, polluant et coûteux, on lui cherche donc des alternatives ; on teste, par exemple en Chine, un polymère (polysulfone ou polysulfone à ammonium quaternaire)Quaternary ammonium polysulphone ou QAPS. avec une cathode (côté oxygène) en argent et une anode (côté hydrogène) en nickel plaquée de chrome Shanfu Lu, Jing Pan, Aibin Huang, Lin Zhuang, et Juntao Lu, « Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts », PNAS, 2008..
En 2010, des chercheurs américains et des chercheurs allemandsÉquipe dirigée par Peter Strasser, de l'université technique de Berlin et du pôle d'excellence UniCat (), cluster allemand visant à améliorer la catalyse, associant , physiciens, biologistes de quatre universités et deux Instituts (l'Institut Max-Planck de Berlin et celui du Brandebourg), avec un budget de sept millions d'euros en 2010. ont proposé d'intégrer un catalyseur supplémentaire, moins coûteux et qui pourrait diviser par deux la quantité de platine des piles à combustibleLattice-strain control of the activity in dealloyed core-shell fuel cell catalysts, Nature. ; il s'agit de nanosphères construites avec des atomes de platine et de cuivre, dont les particules de cuivre sont par la suite en partie extraites, laissant une sorte de nanocoquille de platine de quelques atomes d'épaisseur. La méthode de production de ces nanosphères est telle qu'elle diminue leur capacité de fixation de l'oxygène, ce qui favorise la formation d'eau en rendant la pile plus productive. Selon cette équipe cela pourrait réduire de 80 % le prix des piles à combustible. Ce procédé pourrait être appliqué à d'autres métaux pour produire d'autres types de catalyseurs pouvant par exemple permettre une production d'hydrogène et d'oxygène à partir d'eau comme stockage chimique de l'énergie électrique produite par des éoliennes ou des panneaux solaires, avant de la restituer sous forme d'électricité.
Pile à combustible à hydrogène Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau. Mais jusqu'en 2010, la fabrication de ces piles était très coûteuse, notamment à cause de la quantité non négligeable de platine nécessaire et au coût des membranes échangeuses d'ions.
Principe de fonctionnement Le principe de la pile à combustible est inverse de celui d'une électrolyse.. La réaction chimique produite par l'oxydation et la rencontre de gaz produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. Le fonctionnement de la pile à combustible nécessite un approvisionnement en combustible, le plus utilisé étant l'hydrogène. Une cellule de pile à combustible produit une tension électrique d'environ Comment fonctionne une pile à combustible, selon la charge (densité de courant) et produit de la chaleur. Leur température de fonctionnement varie de selon les modèles. L'eau est généralement évacuée sous forme de vapeur avec l'excédent de dioxygène.
Les types de piles à combustible les plus connus sont la pile à membrane échangeuse de protons et la pile à oxyde solide.
Pile à membrane échangeuse de protons
vignette|upright|Pile à combustible. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons comporte : deux plaques bipolaires : une pour distribuer l'hydrogène, une autre pour distribuer l'oxygène et évacuer l'eau ; deux électrodes : une anode et une cathode pour faire circuler le courant électrique (électrons) ; une membrane échangeuse de protons faisant fonction d'électrolyte : elle est isolante, c'est-à-dire qu'elle bloque le passage des électrons tout en laissant passer les ions H (protons) ; des catalyseurs (platine) qui accélèrent les réactions entre les gaz.
L'hydrogène sous forme diatomique (dihydrogène ) entre par la plaque bipolaire à gauche sur la figure.
Arrivé à l'anode, il se dissocie en ions (H) et en électrons (e) selon la réaction 2 = 4 H + 4 e. Les ions traversent alors la membrane, mais les électrons, bloqués, sont contraints d'emprunter un circuit extérieur, ce qui va engendrer un courant électrique.
À la cathode, les ions hydrogène, les électrons et du dioxygène (pur ou provenant de l'air) se rencontrent pour former de l'eau selon la réaction : 4 H + 4 e + = 2 . L'eau et le dioxygène passent par la plaque bipolaire droite. Cette réaction produit également de la chaleur pouvant être récupérée.
Pile à oxyde solide
Le principe est similaire. La seule différence est que la membrane échangeuse de protons est remplacée par une autre membrane appelée « membrane à oxyde solide ». Les molécules dans la pile à combustible ne vont alors pas réagir de la même façon : dans un premier temps, le dihydrogène entre par la plaque bipolaire à gauche sur la figure, et arrive sur l'anode ; là, le dihydrogène se dissocie : 2 = 4 H + 4 e (jusque-là, aucun changement) ; les électrons (e) empruntent un circuit extérieur, mais les ions H (protons), au lieu de traverser la membrane, restent sur l'électrode ; après avoir traversé les dipôles, les électrons rejoignent la cathode chargée en dioxygène. Chaque molécule de dioxygène va fixer quatre électrons pour donner deux ions doublement négatifs d'oxygène selon : O2 + 4e → 2 O ; les ions O traversent l'électrolyte et se combinent avec les protons H pour former de l'eau : 4 H + 2 O = 2 + = 2 .
Ce type de pile dispense d'utiliser des catalyseurs très onéreux et polluants (tel le platine) mais ne fonctionne qu'à très haute température (autour de ) et leur fabrication coûte plus cher pour des piles de faible puissance. Elles sont donc réservées à des applications spécifiques nécessitant une forte puissance.
Pile à combustible au méthanol
Il existe deux types de piles à combustible au méthanol : les piles RMFC () : dans ces piles, le méthanol est reformé pour produire l'hydrogène qui alimentera la pile ; les piles DMFC () : dans ces piles, le méthanol est directement oxydé dans le cœur de la pile et ne nécessite pas d'être reformé.
Ces piles ne peuvent être « propres » que si le méthanol est obtenu par méthanolisation, car elles rejettent du et même du CO qui peuvent toutefois être récupérés..
Différentes techniques de piles à combustible +Tableau récapitulatif des différentes techniques de piles à combustible Type Électrolyte Ions mis en œuvre Gaz/liquide à l'anode Gaz à la cathode Puissance Températurede fonctionnement Rendementélectrique Maturité Domaine AFC - Alcaline Hydroxyde de potassium HO− dihydrogène dioxygène
Pile seule : 60-70 % Système : 62 % Commercialisé/ Développement Portable, transport DBFC - Hydrure de bore direct Membrane protonique
Membrane anionique H+
HO− NaBH4 liquide dioxygène
50 % monocellule Développement portable < PEMFC – à membrane d'échange de protons Membranes polymère Nafion-PBI H+ dihydrogène dioxygène
Pile : 50-70 % Système : 30–50 % Commercialisé/ Développement portable, transport, stationnaire DMFC – à méthanol direct Membrane polymère H+ méthanol dioxygène à Pile : 20–30 % Commercialisé/ Développement transport, stationnaire DEFC – à éthanol direct Développement FAFC – à acide formique Développement DFFC – à formiate direct. 591 mW/cm 60°C Développement PAFC – à acide phosphorique Acide phosphorique H+ dihydrogène dioxygène jusqu'à environ Pile : 55 % Système : 40 % Développement transport, stationnaire MCFC – à carbonate fondu Carbonate de métaux alcalins 2− dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à environ Pile : 55 % Système : 47 % Développement/ Mise sur le marché stationnaire PCFC – à céramique protonante H+ Développement SOFC – à oxyde solide Céramique O2− dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à Pile : 60–65 % Système : 55–60 % Développement stationnaire
Rendements globaux Le rendement global, qui est le rapport entre la quantité d'électricité produite par la pile à hydrogène et la quantité d'électricité dépensée dans l'électrolyse pour synthétiser de l'hydrogène, est assez faible.
Un groupe électrogène permet un rendement de 25 % et une pile à hydrogène peut atteindre 50 à 60 % de rendement électrique, ou plus s'il existe un besoin pour la chaleur de récupération. mais les rendements énergétiques cumulés de la synthèse du dihydrogène et de la compression ou liquéfaction sont encore assez faibles. Ici, le dihydrogène n'est pas une source d'énergie primaire ; c'est un vecteur d'énergie.
Le rendement sur une automobile serait de 35 %... Selon l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie, le rendement global de la chaîne électricité-hydrogène-électricité est de l'ordre de 25 %..
Applications Les principaux champs d'application sont les suivants.
Transports