Dossier : L’hydrogène, un vecteur d’énergie

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Décryptages

Les différents types de pile à combustible

La pile à combustible est un générateur qui convertit l'énergie d’un combustible en électricité par réaction électrochimique. Les combustibles les plus utilisés sont le gaz naturel et l’hydrogène, que nous étudions ici.  

Un ingénieur présente une pile à combustible de type PEM sur le site de l'université de Belfort-Montbéliard. © AFP PHOTO / SEBATIEN BOZON

Une pile à combustibleUne pile à combustible produit de l'électricité grâce à l'oxydation d'un combustible réducteur au niveau d'une première électrode... utilisant l’hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. contient deux électrodes :

  •   l'anode (reliée au pôle positif) contient de l'hydrogène ;
  •   la cathode (reliée au pôle négatif) contient de l'oxygène ;

Entre les deux, se trouve un électrolyte, un corps solide ou liquide capable de contrôler le passage des électronsLa matière est composée d'atomes. Un atome comporte un noyau formé de protons (particules de charge électrique positive) et de neutrons.... Il s'agit le plus souvent d'un polymère contenant du platine.

Dans l'anode, les molécules d'hydrogène se dissocient : les ions diffusent dans l'électrolyte, alors que les électrons sont contraints de circuler dans un circuit externe, ce qui crée un courant électrique continu.

Dans la cathode, les électrons provenant du circuit électrique, les ions et l'oxygène se combinent pour former de l'eau et de la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... qui peut être récupérée.

Au final, avec de l'hydrogène d'un côté, de l'oxygène de l'autre, la pile à combustible produit de l'électricité et de la chaleur. Le seul produit de sa combustion est la vapeur d'eau.

Deux grandes filières

De nombreuses technologies existent en matière de piles à combustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant..., mais deux filières principales ont d’ores et déjà trouvé de nombreuses applications industrielles : les piles PEM, à membrane, et les piles SOFC, à oxyde solide1/2 :

  • la pile à membrane échangeuse de protonsLes protons sont des particules de charge électrique positive. Ils constituent avec les neutrons le noyau de l’atome. (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est compacte et travaille à basse température (80 °C), avec un électrolyte en polymère. Elle fournit essentiellement de l’électricité, avec des rendements moyens entre 40 et 60 %. C’est un peu la pile « tous terrains », utilisable en mode portatif ou en mode stationnaire. Elle fait encore l’objet de nombreuses études, notamment pour diminuer son coût. Celui-ci est dû notamment à l’utilisation de platine pour l’anode et la cathode. C’est la seule qui convienne pour un usage dans les transports. Elle peut aussi être utilisée pour le stationnaire de « niche », comme l’alimentation de sites isolés ou la génération électrique de secours.
  • la pile à oxyde solide (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) constitue une technologie bien adaptée à la cogénération La cogénération consiste à produire en même temps et grâce à la même installation de la chaleur (énergie thermique) et de l’électricité... (électricité + chaleur). Elle a pour électrolyte un oxyde double de zirconium et d'yttrium. Sa température de fonctionnement, de 800 °C, permet d'utiliser n'importe quel combustible contenant de l'hydrogène, grâce à des procédés de reformage interne, ce qui affranchit de la nécessité d’utiliser de l’hydrogène pur et permet d’employer notamment le gaz naturel du réseau. Elle a un très bon rendement électrique -entre 40 et 70 %- ainsi qu’un très bon rendement thermique. La chaleur qu’elle produit est en partie réutilisée pour le fonctionnement de la pile et la chaleur résiduelle, qui est à haute température, peut être facilement récupérée. Très lourde, sensible aux vibrations et supportant mal les arrêts fréquents, la pile SOFC est destinée à des utilisations stationnaires (unité de production électrique pour logements collectifs par exemple).

Parmi les autres technologies, les piles à méthanolLe méthanol ou alcool méthylique est le plus simple des alcools, de formule CH3-OH... direct (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) et à éthanol direct (DEFC, Direct Ethanol Fuel Cell) peuvent être facilement miniaturisées. Elles utilisent directement l'hydrogène contenu dans les molécules des deux alcools (méthanol et éthanol). Elles sont souvent employées pour alimenter des appareils portatifs (téléphones, ordinateurs...).

La durée de vie

La durée de vie – c’est-à-dire le temps pendant lequel une pile fonctionne sans que ses performances se dégradent – est une donnée importante pour les utilisations industrielles. Cette durée varie beaucoup selon le type de la pile et l’usage qui en est fait. Pour des piles à usage stationnaire, la moyenne se situe aujourd’hui entre 30 000 et 40 000 heures. Pour les piles destinées aux véhicules, les constructeurs ont obtenu dans la pratique des durées autour de 5 000 heures.

Notons encore que les piles à combustibles sont très silencieuses, avec des émissions sonores de l’ordre de 40 à 50 décibels à 1 mètre, soit moins que le niveau sonore d’une conversation normale.

 

Sources :

(1) La Recherche