04) Les piles à combustible

4) Piles à combustibles

Historique

Principes

Technologies Principales

Avantages

Principales applications

La pile Genepac du CEA et de PSA Peugeot Citröen

(Application principale visée: les véhicules de transport de passagers)

 01) Historique

La pile à combustible (PAC) est une des plus belles inventions de l’Homme et on doit la connaissance de l’effet produit au chercheur suisse Christian Schönbein qui expérimenta en 1839 l’électrolyse de l’eau avec déjà de la mousse de platine.

William R. Grove réalisa peu de temps après un prototype de pile à combustible avec de l’acide sulfurique comme électrolyte.

Ces travaux ne furent repris qu’en 1932, soit près d’un siècle plus tard, par Francis Bacon qui passe d’un prototype de 1kW en 1953 à un proto de 5kW six ans plus tard qui servira de modèle aux piles à combustibles utilisées dans les missions Apollo et Gemini à partir de 1966, et en plus elles fournissent de l’eau aux spationautes.

En été 2007 le Japon commença à élaborer des normes sur les PAC, ainsi que des standards de fabrication. Le Japon a de plus renforcé la sécurité de manière à faciliter l'usage généralisé de ces piles à combustible sur la petite électronique et espère ainsi réduire de 50 % ses émissions de CO2 en proposant ces batteries dont l’autonomie est multipliée par trois.

02) Le Principe de la pile à combustible

La pile à combustible est une pile fournissant donc de l‘électricité.
La particularité de cette pile est qu’elle est alimentée en permanence par deux gaz : L’Hydrogène et l’Oxygène, je devrais plutôt dire du di-hydrogène et du di-oxygène pour les chimistes puristes.

Ici le combustible réducteur est le di-hydrogène, c’est lui qui va fournir les électrons indispensables aux courants électriques.
Le di-oxygène joue le rôle d’oxydant qui va capter des électrons pour faire circuler le courant électrique.

Le seul rejet de cette pile à combustible est … de l’eau H₂O !

Le processus en jeu est exactement l’inverse de l’électrolyse de l’eau pure qui fournie de l’hydrogène et de l’oxygène à partir d’eau pure et de courant électrique.

La pile à combustible transforme l’énergie chimique en énergie électrique ce qui en fait un générateur électrique. Elle possède deux électrodes, cathode et anode, séparés par un électrolyte qui assure le transport des charges électriques et ferme le circuit.

Comme dans une pile classique, le di-oxygène (l’oxydant) et le di-hydrogène (le réducteur) sont consommés.
Remarque : Le réducteur peut être aussi du méthanol ou du gaz naturel.

1. 1.Réaction d’oxydation à l’anode : H₂ → 2H⁺ + 2e^–
2. 2.L'ion H⁺ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique.
3. 3.Réaction de réduction à la cathode : les ions H⁺ sont consommés : O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O

On obtient donc : de l’électricité de l’eau mais aussi de la chaleur.

La tension théorique maximum produite est de 1,23 Volt (à 25°C avec des pressions de gaz purs à 1 bar). En pratique, la tension obtenue est de l’ordre de 0,65 Volt.

Les réactions sont rendues possibles par la présence d'un catalyseur de dissociation de la molécule d'hydrogène sur un support poreux recouvert d’une fine couche de platine divisé.

03) Les Technologies Principales

Bien que le principe de base soit toujours le même, les techniques mises en œuvre au sein des piles à combustible sont très variées. Une des composantes fondamentales est l'électrolyte utilisé. Cet élément rend possible la migration d'ions spécifiques, d'une électrode à l'autre.

Le type d'électrolyte utilisé va déterminer la température à laquelle la pile va fonctionner:

    * - Pile à membrane polymère (80°C)

    * - Pile à combustible alcaline (100°C)

    * - Pile à acide phosphorique (200°C)

    * - Pile à carbonates fondus (700°C)

    * - Pile à électrolyte solide (800-1000°C)

Les différentes types de pac

AFC - Alcalines (Alkaline Fuel Cells)

Combustible : H₂ très pur, sans CO₂, pas de reformage ;
Electrolyte : KOH ;
Ions transportés : OH^-
CO maxi : quelques ppm (l'air de combustion doit être purifié pour èliminer le CO)
Température de fonctionnement 60 à 80 °C
Rendement électrique : 55 à  60 %

Applications : Transport, portable, aérospatial (navette US)

+ Electrolyte et catalyseur bon marché, démarrage rapide, fonctionnement à base température.

- Sensible au CO₂.

DMFC - Direct Methanol Fuel Cells

Par extension, piles directement alimentées par n'importe quel alcool.
Rendement électrique : de l'ordre de 20 %

Applications : Source d'énergie primaire ou d'énergie rechargable pour GSM, ordinateur portable, camera, lecteur de MP3, etc.

+ Grande densité d'énergie, fonctionnement à température ambiante, démarrage rapide, bonne réponse au changement de régime de puissance, combustible liquide ne nécessitant pas de reformatage (recharge instantanée),
- Emission de CO₂, faible rendement

Reaction à l'anode:	CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reaction à la cathode:	3/2 O2 + 6 H+ + 6e- => 3 H2O
Reaction globale de cellule:	CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O

MCFC - cabonates fondus (Molten Carbonate Fuel Cells)

Combustible : H₂ reformé, CO, rerformage externe ou interne ; Electrolyte : Cabonates fondus ;
Ions transportés : CO₃^{- -}
Température de focntionnement : 600 à 700 °C
Puissance : 250 kWe à quelques MWe
Rendement électrique : 50 à 60 %

Applications : cogénération, production d'électricité décentralisée (hôtels, hopitaux...)

+ Très efficace, combustible gaz naturel comme combustible, utilisation de la chaleur des gaz d'échappement pour la co-génération.

- Démarrage lent, technologie haute température, sensible au choc thermique, application difficile à l'automobile
Stade de recherche développement : 1 unité de 2 MWe, plusieurs de 100 à 250 kWe (difficultés de fonctionnement)

PAFC - A acide phosphorique (Phosphoric Acid Fuel Cells)

Combustible : H₂ pur, H₂ reformé, reformage externe ;
Electrolyte : acide phosphorique ; Ions transportés : H⁺
CO maxi : 1 % (V/V)
Température de fonctionnement : 180 à 200 °C
Puissance :
> 200 kWe pour la cogénération,
environ 100 kWe pour le transport
Rendement électrique : 36 à 45 %

Applications : cogénération, transport collectif (bus)

+ Commercialement disponible, technologie basse température

- Coût élevé, moins efficace que MCFC et SOFC, nécessite un reformage externe, sensible au choc thermique, application difficile à l'automobile

Stade de développement : fabrication en petites séries; 200 unités de 200 kWe en fonctionnement dans le monde (dont 20 en Europe).

C'est une pile de ce type qu'EDF et Gaz de France ont mis en service à Chelles en janvier 2000 à titre expérimental.
Fourniture à 200 foyers de l'équivalent des besoins en électricité et chaleur ;générateur de 200 kW électriques et 200 kW thermiques, fonctionnant au gaz naturel : Elle délivre au réseau électrique de la ville un courant de 400 volts et alimente avec de l'eau à 80°C le chauffage urbain

PEMFC - membranes échangeuses de protons
        (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)

Combustible : H₂ très pur, avec ou sans CO₂, H₂ reformé (reformage externe) ;
Electrolyte : polymère (électrolytre solide) ;
Ions transportés : H⁺
CO maxi : quelques ppm (catalyseurs en platine)
Température de fonctionnement : 80 à 120 °C

Puissance :
piles miniatures : quelques Watts ;
téléphones, camescopes, panneaux signalisation... : moins de 10 kWe ;
résidentiel : 250 kWe pour la cogénération.
Rendement électrique : 32 à 40 %

Applications : cogénération résidentielle ou tertiaire, automobile, téléphones et ordinateurs portables, sous-marin, spatial

+ Démarrage rapide, insensible au CO₂, faible température de fonctionnement, bonne gestion thermique, souplesse de fonctionnement, large plage de puissance.

- Nécessite un hydrogène de très haute pureté, contamination de la membrane par le CO et le S, utilisation de platine (coût élevé).
Stade de développement : unités de 50 à 250 kWe

SOFC - oxydes solides (Solid Oxide Fuel Cells)

Combustible : H₂ reformé, CH₄ ou CO, reformage externe ou interne ; Electrolyte : céramique ; Ions transportés : O^{- -}
Température de fonctionnement : 850 à 1000 °C
Puissance : 10 kWe ou 300 kWe à quelques MWe selon les technologies
Rendement électrique : 45 à 50 % ; 70 % avec une turbine adjointe pour récupérer la chaleur

Applications : cogénération, production d'électricité décentralisée

+ Plus efficace que le PEM (rendement électrique élevé), combustible gaz naturel, chaleur des gaz d'échappement utilisée pour la co-generation.

- Technologie haute température, démarrage lent.
Stade de recherche et développement : unités de quelques kWe à 1 MWe

Des autobus canadiens équipés par la société Ballard circulent depuis plusieurs années à Vancouver et Chicago.

3 sous-systèmes

Cœur de pile (Stack)  spécifique / technologie

Périphériques

Gestion électrique (conditionnement de courant/contrôle commande)

 

Exemples de piles à combustibles PEMFC hydrogène sur le marché:

Heliocentris Nexa® 1200

          o Tension nominale: 24,4 V

          o Courant nominal: 52 A

          o Puissance nominale: 1200 W

          o Tension de sortie: 22 ... 36 V

          o Consommation d'hydrogène: max. 15 SLPM *

 (* SLPM = Standard Liter Per Minute = 1 L / min à la pression atmosphérique et à 20°C)

 Caractéristiques techniques:

 Dimensions

    * Largeur x profondeur x hauteur: 400 x 550 x 220 mm

    * Poids: env. 22 kg

Stack

    * Fabricant: Ballard Power Systems Inc

    * Type: FCGen™ 1020 ACS

    * Design: PEM, refroidi par air, cathode ouvert

 Données sur le rendement

    * Tension nominale: 24,4 V

    * Courant nominal: 52 A

    * Puissance nominale: 1200 W

    * Tension de sortie: 22 ... 36 V

 Media

    * La qualité de l'hydrogène: 99,95% ou mieux

    * La consommation d'hydrogène: 15 SLPM

    * Air débit: 3000 SLPM (à la puissance nominale, à température ambiante
       de 30 ° C )

Liens sur les piles à combustibles:

La pile DMFC au methano:l www.annso.freesurf.fr/DMFC.html

La pile à combustible au Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée UMR CNRS-INPL-UHP 7563: http://lemta.ensem.inpl-nancy.fr/pac.html/

Un Travail personnel encadré (TPE) sur la pile à combustible: http://pilecombustible.free.fr/

Fonctionnement de la pile à combustible:

 http://www.psa-peugeot-citroen.com/modules/pac/francais/index.html

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