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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Sixième partie. Entre sources et usages : stockage et vecteurs d'énergie

4. Les piles à combustible

Gérald Pourcelly

Texte intégral

État de l’art

1En 1760, Henry Cavendish identifie les principales caractéristiques de l’hydrogène, mais il faut attendre 1839 pour que l’Anglais Sir William Grove découvre le principe de la pile à combustible (PAC), qui restera un dispositif de laboratoire jusque dans les années 1960. Elle sort de l’oubli quand « General Electric » la reprend pour la développer et en installer deux modules de 1 kW dans les premières capsules spatiales Gemini. C’est le véritable point de départ de l’aventure industrielle de cette nouvelle technologie. Ainsi, dès son premier vol en 1981, la navette spatiale était équipée de trois PAC de type SAMFC (Solid Alkaline Membrane Fuel Cell) de 12 kW lui fournissant l’ensemble de l’énergie électrique. Le retour d’expérience sur cette application spatiale a montré une disponibilité supérieure à 99 % sur une durée cumulée de 100 000 heures de fonctionnement. La PAC s’inscrit aujourd’hui comme une solution efficace dans la politique de mise en œuvre de la réduction des gaz à effet de serre et pour développer les énergies alternatives au pétrole, au gaz naturel et au charbon. Parallèlement, l’hydrogène, considéré comme «  le vecteur énergétique du futur » est potentiellement attractif pour l’application transport et comme option technologique offrant de nouvelles perspectives de valorisation des énergies intermittentes (solaire, éolien, etc.). Couplé à une PAC, sa combustion électrochimique est réalisée avec un excellent rendement tout en produisant de l’électricité, de la chaleur Q à évacuer ou à valoriser et de la vapeur d’eau selon la réaction :

2Les PAC sont considérées maintenant comme un moyen de production décentralisée d’énergie prometteur à plusieurs titres : i. flexibilité du combustible (en dehors de l’hydrogène et du gaz naturel, possibilité d’envisager des combustibles d’origine renouvelable, tels que le biogaz ou les biocombustibles liquides), ii. flexibilité de la technologie (basse et haute températures), iii. modularité en puissance ouvrant sur de nombreuses perspectives d’applications (mobile, transport, stationnaire résidentiel, tertiaire et industriel) et iv. avec un rendement électrique* élevé (50 %) sur une large gamme de modulation de puissance.

3Il existe à ce jour plusieurs types de PAC qui diffèrent par la température de fonctionnement, les matériaux utilisés et la puissance délivrée. À basse température (80-100 °C), le seul combustible acceptable à ce jour est l’hydrogène pur (ne contenant que des traces d’oxyde de carbone pour éviter l’empoisonnement des catalyseurs* à base de platine : Proton Exchange Membrane Fuel Cells [PEMFC]), l’utilisation du carburant méthanol conduisant à des performances plus faibles : Direct Methanol Fuel Cell [DMFC]. Dans cette gamme de température, les PAC à conduction hydroxyle Solid Alkaline Membrane Fuel Cell [SAMFC] acceptent des teneurs de 1 % en monoxyde de carbone. À 200-250 °C, les PAC à acide phosphorique Phosphoric Acid Fuel Cell [PAFC] bénéficient du plus grand retour d’expérience. À 600-650 °C, les PAC à carbonates fondus Molten Carbonate Fuel Cells [MCFC] peuvent utiliser des mélanges CO/H2 issus du vaporéformage d’un hydrocarbure ou de la gazéification de charbons et de la biomasse. À plus haute température (700-800 °C), les PAC à oxyde solide Solid Oxide Fuel Cell [SOFC] peuvent être alimentées directement en hydrocarbure (ex. gaz naturel, biogaz), la conversion en hydrogène s’effectuant au contact des électrodes. À ce jour, la tendance est d’augmenter la température de fonctionnement des PEMFC (de 80 à 120-150 °C) et de diminuer celle des SOFC (de 800 à 600 °C). Ainsi, des électrolytes* polymères mixtes organiques inorganiques sont testés dans la gamme 150-200 °C alors que des céramiques à conduction protonique Proton Ceramic Fuel Cell [PCFC] permettent d’envisager un fonctionnement vers 400-500 °C.

Fig. 1 – Vue éclatée d’une monocellule de PEMFC. La PAC produit simultanément de l’électricité et de la chaleur qui peut être réutilisée (cogénération* pour l’habitat) ou évacuée (radiateur pour le véhicule).
À l’anode : H2 → 2H++2e-
À la cathode : Image 10000000000001720000001E1EEC3DE7.jpg
Au bilan: Image 100000000000022E0000001E5158E5E1.jpg

Principe de fonctionnement

4Le cœur de pile est constitué de deux électrodes (conducteurs électroniques contenant un catalyseur tel que le platine) séparées par un électrolyte ou membrane (conducteur ionique tel qu’un acide, une base ou un oxyde). Le rôle du catalyseur est de faciliter les réactions électrochimiques (oxydation du combustible à l’anode*, réduction du comburant* – oxygène de l’air – à la cathode*) qui se produisent à l’interface électrode-électrolyte comme dans une pile classique ou un accumulateur. Mais à la différence de ces 2 derniers générateurs, la production d’énergie (au sein de la pile) est séparée du stockage d’énergie (dans un réservoir à combustible). Cela permet une grande souplesse d’utilisation, notamment une recharge rapide par remplissage du réservoir de combustible et une grande autonomie pour les systèmes embarqués (ex. pour une automobile : 600 km avec 6 kg d’hydrogène comprimé à 700 bars dans 150 litres de réservoir). Une PAC est toujours constituée de plusieurs mono-cellules assemblées dans un empilement (stack), lui-même environné d’accessoires destinés à la gestion des fluides et de l’énergie produite. Il s’agit alors d’un « système pile ».

Applications

5Les PAC peuvent être alimentées par de l’hydrogène, du gaz naturel, du méthanol, de l’éthanol ou du biogaz. Elles existent sur des gammes de puissance variant du milliwatt pour des applications électroniques embarquées, au mégawatt pour des applications stationnaires industrielles. L’atout des PAC est de pouvoir répondre à une grande variété d’usages et d’applications énergétiques, comme par exemple :

  • Les transports : automobiles particulières, transports collectifs, véhicules spéciaux, transport maritime, transport ferroviaire (applications pour lesquelles le faible impact environnemental et l’autonomie sont des atouts).

  • Les applications dites « stationnaires » : fourniture de courant de secours, systèmes de co-ou trigénération (applications pour lesquelles l’efficacité énergétique élevée de la pile à combustible prend tout son sens).

  • Les applications embarquées : générateurs portables, micro-générateurs, électronique portable grand public (pour ces applications, l’autonomie et la puissance embarquée par unité de poids sont des atouts importants).

  • Les applications militaires et l’aéronautique : systèmes de propulsion, systèmes de production auxiliaires (pour ces applications l’autonomie, la faible empreinte sonore et la puissance embarquée par unité de poids sont des atouts).

  • Les applications de niche telles que les engins de manutention, les générateurs portables, la fourniture de courants de secours ou les générateurs pour sites isolés.

6Lorsque l’hydrogène est produit de manière décarbonée, il constitue, en combinaison avec les piles à combustible, une nouvelle solution énergétique crédible pour une très large palette d’usages, permettant des gains écologiques et énergétiques significatifs.

Bibliographie

Références bibliographiques

• M. BOUDELLAH – La pile à combustible : structure, fonctionnement, Dunod, 2012.

• B. BLUNIER et A. MIRAOUI – Piles à combustible : principes, modélisation, applications, Ellipses, 2009.

• P. STEVENS, F. NOVEL-CATIN, A. HAMMOU, C. LAMY et M.

CASSIR – Piles à combustible, Techniques de l’Ingénieur, Traité de Génie Électrique, 2000.

Table des illustrations

URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11107/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 32k
Légende Fig. 1 – Vue éclatée d’une monocellule de PEMFC. La PAC produit simultanément de l’électricité et de la chaleur qui peut être réutilisée (cogénération* pour l’habitat) ou évacuée (radiateur pour le véhicule).À l’anode : H2 → 2H++2e-À la cathode : Au bilan:
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11107/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 340k
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11107/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 20k

Auteur

Physico-chimiste, Professeur des Universités, Université de Montpellier 2. Directeur du GdR PACS.
gerald.pourcelly@um2.fr

© CNRS Éditions, 2013

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