Pile à combustible
I. Définition
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.
Le cœur d’une PAC est constitué de trois éléments, dont deux électrodes : une anode oxydante (émettrice d’électrons); une cathode réductrice (collectrice d’électrons) séparées par un électrolyte.
L’électrolyte a la propriété de conduire directement d’une électrode à l’autre des molécules ionisées et de faire barrage aux électrons en les obligeant à passer par le circuit extérieur de la pile ou leur énergie électromotrice peut être exploitée.
Fonctionnement d’une pile à combustible
II. L’alimentation d’une PACElle se fait par injection continue de combustible à l’anode, généralement de l’hydrogène, et à la cathode, généralement le dioxygène (oxygène dans le langage courant) de l’air. Une énergie électrique continue est alors disponible aux bornes de la pile.
Dans le langage courant, les piles à combustible utilisant généralement l’hydrogène ou un combustible hydrogéné sont appelées « piles à hydrogène ».
Les piles à combustible se différencient d’abord par la nature de leur électrolyte, soit acide conduisant les ions positifs (protons H+) de l’anode à la cathode, soit basique (anions OH-, O2-, CO32-) en sens contraire.
III. Types de piles à combustible
1) Piles à électrolytes acides : ions H+ migrant de l’anode vers la cathode.
Principe chimique
À l’anode : oxydation catalytique, en présence de platine, de l’hydrogène qui se dissocie de ses électrons :
H2 → 2H+ + 2e-
À la cathode : réduction catalytique, en présence de platine, de l’oxygène capture les ions H+ qui ont traversé la membrane électrolyte et les électrons arrivant du circuit extérieur. La réaction produit de la chaleur et de l’eau :
½ O2 + 2H+ + 2 e- → H2O + Q (chaleur)
Les types :
- Les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). L’électrolyte est constitué d’une membrane solide polymère fonctionnant à basse température. (20-100°C). Celle-ci transmet sélectivement vers la cathode les ions H+ formés par oxydation catalytique de l’hydrogène injectée directement sur l’anode ;
- Les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Au lieu d’hydrogène, ces piles utilisent comme combustible le méthanol (CH3OH). Injecté directement sur l’anode avec de l’eau. Son oxydation catalytique produit des ions H+ et du gaz carbonique. Comme sur les PEMFC, une membrane solide polymère transmet sélectivement les H+ vers la cathode ;
- Les PAFC (Phosphoric 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 200°C.
Principe chimique
À la cathode : réduction catalytique de l’oxygène :
½ O2 + 2 e- → O2-
À l’anode : oxydation catalytique de l’hydrogène qui capture les ions O2- qui ont traversé l’électrolyte pour donner de la chaleur et de l’eau :
H2+O2-→ H2O + Q (chaleur) + 2e-
Les types
- Les AFC à potasse liquide (Alkaline Fuel Cell) utilisent l’ion OH- libéré par réduction catalytique de cette base sur la cathode ;
- Les MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) utilisent des carbonates de lithium et de potassium fondus pour faire migrer des ions CO32- ;
- Les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) exploitent un électrolyte solide (zircone dopé aux terres rares) pour produire des ions O2-.