Les Piles à combustible

Quelle est la fonction d’une pile à combustible ?

Une pile à combustible (PAC) permet de convertir directement de l’énergie chimique de combustion (oxydo-réduction) en énergie électrique, en chaleur et en eau.

COMMENT FONCTIONNE UNE PILE À COMBUSTIBLE ?

Le principe de la pile à combustible est la réaction inverse de celle de l’électrolyseur. Une pile à combustible convertit l’énergie chimique en énergie électrique par un processus qui consiste à diviser les molécules d’hydrogène et à les recombiner avec l’oxygène, en produisant de l’électricité et de l’eau comme sous-produits. Ces piles à combustible sont ensuite intégrées soit dans des containers pour constituer des générateurs d’électricité stationnaires de différentes puissances ou installés dans les véhicules terrestres ou maritimes pour la propulsion .

C’est là qu’intervient INOCEL !

QUELS SONT LES DIFFERENTS TYPES DE PILE A COMBUSTIBLE ?

Il existent plusieurs types de piles qui se différencient par leur électrolyte.

A électrolytes acides :

– Les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). L’électrolyte est constitué d’une membrane solide polymère fonctionnant à basse température. (20-100°C), elles bénéficient d’un démarrage rapide et puissant . Celle-ci transmet sélectivement vers la cathode les ions H⁺formés par oxydation catalytique de l’hydrogène injectée directement sur l’anode

– Les PAFC (Phosphorique Acid Fuel Cell) utilisent à la place de membranes solides de l’acide phosphorique liquide occlus dans une matrice solide poreuse. Elles peuvent fonctionner jusqu’à 210°C;

– Les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) ces piles utilisent comme combustible le méthanol (CH₃OH) au lieu d’hydrogène, Ilest injecté directement sur l’anode avec de l’eau; son oxydation catalytique produit des ions H⁺ et du gaz carbonique

A électrolytes basiques :

– Les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) exploitent un électrolyte solide (zircone dopé aux terres rares) pour produire des ions O^2-.Ces piles à oxydes solides fonctionnent à une température encore plus forte que la catégorie précédente (entre 800 et 1000 degrés Celsius)

– Les MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) utilisent des carbonates de lithium et de potassium fondus pour faire migrer des ions CO₃^2-

– Les AFC à potasse liquide (Alkaline Fuel Cell) utilisent l’ion OH^–libéré par réduction catalytique de cette base sur la cathode ;

COMPRENDRE LE FONCTIONEMENT D’UNE PILE A COMBUSTIBLE

Cela se résume à une question de chimie. Le mécanisme de la pile à combustible est simple : il s’agit de convertir l’énergie chimique en énergie électrique.

Pour résoudre cette équation, la pile à combustible est composée de deux éléments : la plaque bipolaire, un composant clé des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) qui diffuse les gaz, et un ensemble de membrane et d’électrodes (MEA). Cet MEA, constitué de plusieurs couches, est composé d’une membrane électrolyte assemblée d’un côté avec une couche de catalyseur d’anode, une électrode oxydante qui libère des électrons, et de l’autre côté avec une couche de catalyseur de cathode, une électrode réductrice qui acquiert des électrons. L’hydrogène est injecté dans la pile à combustible du côté de l’anode, tandis que l’oxygène (provenant de l’air) passe à travers la cathode. Une fois que l’hydrogène atteint la couche de catalyseur dans le MEA, les molécules d’hydrogène se séparent en électrons et en protons.

Avant de passer à l’étape suivante, il est important de garder à l’esprit que les protons sont des particules chargées positivement, tandis que les électrons sont chargés négativement. Toutes les charges électriques collectées sur la plaque bipolaire représentent l’énergie électrique disponible.

La membrane joue le rôle d’électrolyte dans la pile à combustible et ne permet le passage que des protons du côté de l’anode vers le côté de la cathode. Cela signifie que les protons, une fois séparés de leurs contreparties électroniques, sont libres de se déplacer à travers la membrane, tandis que les électrons restent piégés du côté de l’anode. Pour que les atomes s’équilibrent, il est crucial que ces deux particules se rencontrent. Les électrons sont ensuite forcés de passer par un circuit différent pour se reconnecter aux protons, et pendant leur trajet, le flux d’électrons génère de l’électricité et de la chaleur.

Une fois arrivés du côté de la cathode, les électrons se reconnectent aux protons et à l’oxygène injecté, produisant ainsi des molécules d’eau (H2O) qui sont ensuite rejetées comme déchets de la pile à combustible. Cela signifie que tout type de machine ou de véhicule qui consomme actuellement du gaz pour produire de l’énergie pourrait remplacer son moteur à combustion par une source d’énergie durable et sans émissions. Un signe d’espoir pour un avenir décarboné.

LES AVANTAGES D’UNE PILE A COMBUSTIBLE

Les piles à combustible présentent plusieurs avantages, ce qui explique leur intérêt croissant dans divers secteurs. Voici quelques-uns des principaux avantages des piles à combustible :

Zéro émission de polluants atmosphériques : Les piles à combustible produisent de l’électricité en réaction chimique entre un combustible (généralement de l’hydrogène) et un agent oxydant (généralement de l’oxygène de l’air). La principale réaction génère de l’eau comme sous-produit, éliminant ainsi les émissions de polluants atmosphériques nocifs.
Rendement élevé : Les piles à combustible peuvent offrir un rendement élevé dans la conversion de l’énergie chimique du combustible en électricité, en particulier par rapport à d’autres technologies de production d’électricité.
Réduction des émissions de gaz à effet de serre : Lorsque de l’hydrogène est utilisé comme combustible, la pile à combustible produit de l’eau comme seul sous-produit. Cela peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre par rapport aux sources d’énergie traditionnelles, en particulier si l’hydrogène est produit de manière propre.
Silencieuses et peu de vibrations : Contrairement aux moteurs à combustion interne, les piles à combustible fonctionnent de manière silencieuse et génèrent peu de vibrations, ce qui les rend adaptées à diverses applications, y compris dans le secteur des transports.
Efficacité constante à différentes échelles : Les piles à combustible peuvent être utilisées à différentes échelles, que ce soit pour des applications stationnaires (comme la production d’électricité dans les bâtiments) ou mobiles (comme la propulsion de véhicules), tout en maintenant un rendement relativement constant.
Réduction de la dépendance aux combustibles fossiles : En favorisant l’utilisation d’hydrogène produit à partir de sources renouvelables, les piles à combustible peuvent contribuer à réduire la dépendance aux combustibles fossiles et à promouvoir une transition vers des sources d’énergie plus durables.