La pile a combustible (hydrogène) - TPE nouvelles énergies

    Une technologie nouvelle?

     Les piles à combustible sont présentées comme l'énergie de demain, en parallèle avec l'hydrogène. Et pourtant, elles ne sont pas une technologie nouvelle puisque leur principe de fonctionnement a été découvert en 1839. 
Jusqu'au milieu de ce siècle, elles sont restées oubliées, jusqu'à ce que l'on s'y intéresse de nouveau avec les programmes spatiaux des années 1960 dans lesquels les astronautes des capsules pouvaient consommer l'eau créee grace au fonctionnement des piles (cf ci dessous)
     Depuis le début des années 1990, elles suscitent un nouvel intérêt qui semble s'être encore accru durant cette dernière période. Cet intérêt accru est dû à plusieurs facteurs: les recherche des années 70 et 80 sur ces piles ont permisent une prise de conscience sur les épuisables quantités disponibles en énergies fossileset sur la prise de conscience de trouver une énergie moins polluante. 

     Nous comptons actuellement 6 types différents de pile à combustible ( (Alkaline fuel Cell ; Polymer Exchange Membran Fuel Cell ; Direct Methanol Fuel Cell ; Phosphoric Acid Fuel Cell ; Molten carbonate Fuel Cell ; Solid Oxid Fuel Cell ), chacune se différenciant d'une autre par l'électrolyte utilisé. Cependant nous nous interresserons içi qu'à la pile à hydrogène dans la mesure où la recherche automobile privilégie ce modèle de pile pour ces qualités.
     Pour plus d'informations sur les autres types de piles a combustible nous vous invitons a visiter ce site.

      La pile à Hydrogène fonctionne sur le principe inverse de l’électrolyse de l’eau . On utilise une anode et une cathode séparées par une solution électrolytique  qui va donc favoriser le passage des ions qui eux même, par déplacement, créent un courant électrique continu. Ici, on utilise un combustible à base de dihydrogène qui , au contact de l’anode se transforment en ions H+. Ils se déplacent alors vers la cathode où ils se combinent avec les ions O2- constitués à partir du dioxygène de l’air pour former de l’eau. C’est ce transfert vers la cathode qui , tant que le processus est alimenté, produit un courant continu. En général, la réaction est déclenchée par un catalyseur disposé sur les électrodes. Le plus souvent, une fine couche de platine joue ce rôle.

 

 

 

 Fonctionnement de la pile à hydrogène

   Le combustible le plus simple à utiliser est l'hydrogène. C'est également lui qui permet d'obtenir les densités de courant les plus élevées. Sa combustion ne produit que de l'eau (sous forme liquide ou de vapeur). C'est un carburant réactif et il est abondant. Cependant il est inflammable dans l'air ou en présence d'oxygène. De plus, incolore et inodore, c'est un gaz a manipuler avec précaution. Autre inconvénient: il occupe beaucoup de place, ce qui s'avère problématique dans le cas de piles équipant des véhicules. Les recherches sur la pile portent donc également sur les réservoirs de stockage d'hydrogène que l'on veut plus sûrs, plus légers et plus compacts. Une des solutions consiste donc à utiliser un hydrocarbure ou un alcool comme le méthanol. Dans le domaine du stockage les avancées technologiques progressent de jours en jours. Dans ce cas le problème ne vient donc pas de l’énergie elle même mais de la façon de la créer et la stocker.

 

   Mais ou trouver l’hydrogène ? L'hydrogène est l'élément le plus présent dans notre planète, essentiellement présent sous formes d'eau. Il permet de stocker et de distribuer de façon souple l'énergie, tout en étant peu polluant, puisque sa combustion produit de l'eau. C'est un produit industriel couramment et massivement utilisé en France dans la pétrochimie et l'industrie chimique. Cependant, l'hydrogène n'est pas directement disponible. La majorité des procédés industriels (95 %) de production d'hydrogène font appel au reformage des hydrocarbures. Dans ce cas, l'intérêt de l'hydrogène en tant que 'combustible propre' est limité dans la mesure où ces filières de production ont recours à des sources fossiles, qui produisent, simultanément à l'hydrogène, des gaz à effet de serre. Les deux seules sources d'hydrogène propre sont d'une part l'eau et d'autres part les hydrates de carbone contenus dans la biomasse (l’ensemble de la matière organique pouvant devenir une source d’énergie) . Ces procédés de production n'ont pas encore atteint un niveau de rentabilité économique. Il faut donc étudier la possibilité de disposer d'un hydrogène économiquement compétitif, d'infrastructures permettant de le produire, de le stocker, de le distribuer et de l'utiliser en toute sécurité pour le consommateur et pour l'environnement.

 

     Le rendement

 

   Le rendement d'une pile à combustible varie selon le type de pile et peut être supérieur à 50%. A titre de comparaison, le rendement d'un moteur à combustion interne est en moyenne de 15%. De plus, l'énergie non convertie en énergie électrique est émise sous forme de vapeur d'eau (donc de chaleur) qui est utilisée à des fins de cogénération (production de chaleur et d’électricité en simultané) : chauffage, eau chaude...

 

     Avantages :

 

     -    Selon le combustible utilisé -> non polluant :

 

                                          *le méthanol (CH3OH) qui est 97% moins polluant que l’essence mais reste tout de même les 3% restant …

                     

                                          *l’hydrogène qui réagit avec l’air ne produit, à part de l’électricité, que de la vapeur d’eau pouvant être utilisée a des fins cogénératives.

 

     -    Autonomie importante : les bonbonnes d’hydrogène à 700 bars garantissent deja 500 km chose impossible avec une batterie électrique standard.

     Inconvénients :

 

     -          Construction de nouveaux réseaux de distribution pour adapter les voitures fonctionnant a l’hydrogène. Par exemple la supression des pompes super 98+ pour la remplacer par une pompe a méthanol.

 

     -          Demande l’utilisation d’un combustible le plus propre possible qui contraint alors à placer un purificateur avant l’entrée de l’hydrogène dans le circuit de transformation.

  

     -          Le coût : catalyseur platine (10 a 25 grammes, soit 800 E environ), membranes, conditionnement. Du coup les voitures a hydrogène valent chacune plusieurs milliers d’ euros.

 

     -          L’utilisation de l’électricité pour générer le courant dans la voiture sera toujours moins rentable que l’utilisation de l’elecricité directement.

 

 Article de Zidi Amine

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