II.1- Un simple principe de base
C'est en 1839 que Sir William Grove construisit la première cellule électrochimique fonctionnant avec de l'hydrogène comme carburant. Il a ainsi mis en évidence la possibilité de produire du courant électrique par reconversion directe de l'énergie chimique du combustible.
La pile à combustible ayant la particularité d'utiliser 2 gaz - l'hydrogène H2 et l'oxygène O2 - comme couple électrochimique, les réactions d'oxydo-réduction qui s'y opèrent particulièrement simples.
Ces réactions se produisent au sein d'une structure (la cellule électrochimique élémentaire) essentiellement composée de deux électrodes (l'anode et la cathode) séparées par une électrolyte, matériau permettant le passages des ions.
Les électrodes mettent en place des catalyseurs à base de platine pour activer d'un côté la réaction d'oxydation de l'hydrogène, et de l'autre la réaction de réduction de l'oxygène.
Dans le cas d'une pile à membrane échangeuse de protons (ou PEMFC), l'hydrogène de l'anode est dissocié en protons (ou ions hydrogène H+) et en électrons suivant la réaction d'oxydation:
H2 (g) → 2H+(aq)+ 2e-
A la cathode, l'oxygène, les électrons et les protons se recombinent pour former de l'eau:
2H+(aq)+ 1/2O2(g) + 2e- → H2O(l)
L'équation du bilan de la réaction s'écrit donc:
H2 (g) 1/2O2(g)→ H2O(l)
Le principe de la pile à combustible est donc inverse à celui de l'électrolyse de l'eau. La tension thermodynamique d'une telle cellule électrochimique est de 1,23 volts (V). Toutefois, en pratique, une seule cellule peut fournir 0,6 volts.
Le
rendement d'une telle cellule est donc d'environ 50%, l'énergie dissipée
l'étant bien évidemment sous forme de chaleur.
La cellule élémentaire est donc l'assemblage des 3 éléments essentiels: une anode, un électrolyte et une cathode. Dans le cas de la PEMFC, cet assemblage est solide et a une épaisseur de quelques centaines de micromètres. A ces trois éléments de base, il faut ajouter les couches de diffusion, qui permettent aux gaz, combustible et comburant, de se diffuser à la surface des électrodes.
Pour leurs permettre de fonctionner et de remplir leur rôle, les PACs requièrent que l'on ait conçu un système mettant les différents composants et sous-systèmes en relation.
De la simple cellule électrochimique à un réel générateur d'électricité, différentes étapes sont indispensables...
D'abord,
pour obtenir la différence de potentiel demandée, un empilement en série du
nombre de cellules nécessaires est réalisé.
Un matériau d'interconnexion, la plaque bipolaire, permet l'assemblage de cellules entre elles.
Le module pile à combustible ainsi constitué est intégré au sein d'un système complet assurant la gestion des fluides (gaz, réactifs, eau), de la chaleur et de l'électricité.
Parmi les composants clés d'un tel système, il faut citer le réservoir de combustible, le sous-système de refroidissement et le convertisseur électrique.
Enfin, un tel système se doit d'être intégré dans son environnement en respectant l'ensemble des contraintes du cahier des charges, intégration dans un véhicule électrique, par exemple.
De nombreuses recherches s'orientent vers :
- L'optimisation des composants de circuit afin de diminuer la consommation.
- et la mise au point de sources d'énergie miniaturisées nettement plus performantes que les accumulateurs actuels dont la marge de progression est désormais relativement faible.
Combustible: dont la combustion, c'est-à-dire la réaction avec un comburant (souvent l'oxygène), produit une énergie utilisable.
Oxydo-réduction: réaction dans laquelle un réducteur cède un ou plusieurs électrons à un oxydant.
Oxydation: réaction au cours de laquelle un atome ou un ion perd un ou plusieurs électrons.
Réduction: réaction au cours de laquelle un atome ou un ion gagne un ou plusieurs électrons cédés par un réducteur. C'est l'inverse d'une réaction d'oxydation.
Catalyse:processus impliquant une substance, le catalyseur, permettant d'accélérer une réaction chimique, sans subir elle-même une modification, sinon temporaire.
Proton: particule élémentaire chargée positivement.
Électron: particule élémentaire chargé négativement.
Electrolyte: Substance ou composé qui, à l'état liquide ou en solution, permet le passage du courant électrique par déplacement d'ions.
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Ci-contre : Pile à
hydrogène
développée par le CEA (Commissariat à l'Energie Atomique) ; puissance: 300 W ;
Copyright CEA
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Sir William Grove
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Le saviez-vous?
1838 :
Le Suisse Friedrich Schoenbein met au point le principe de l’électrolyse qui consiste à injecter un courant électrique dans de l’eau, afin de séparer ses deux composants:l’hydrogène et l’oxygène.
Une fois le courant coupé, il constate que l’hydrogène et l’oxygène produisent un courant électrique de sens inverse au premier. C’est donc par hasard qu’il a découvert
l’électrolyse inverse.1839 :
Convaincu que cette découverte peut servir à produire de l’énergie, Sir William Grove utilise le principe de l’électrolyse inverse pour développer la pile à combustible, dont il revendique la découverte en 1845.Cependant, son coût élevé a valu à cette dernière d’être mise de côté pendant plus d’un siècle.
C’est seulement en 1960 qu’elle est utilisée par la NASA à bord des capsules spatiales Gemini et Apollo pour son important rendement énergétique et son faible volume.
La pile à combustible de William Grove
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Piles de type PEMFC de General Electrics embarqué sur Gemini, (63 cm de long pour 31 cm de diamètre). Elle est constituée de 3 compartiments de 32 cellules capable de fournir une puissance de 1kW (Gemini demande 650 W). La chaleur générée par la pile est évacuée par circulation froide.