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 PAC

 Elle 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.
2) Piles à électrolytes basiques : ions négatifs migrant de la cathode vers l’anode.

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-.

Last modified: Friday, 26 January 2024, 12:36 AM