EnergieLa pile à combustible :une révolution énergétique etculturelle.Afin de mettre un peu de lumière sur cette pile quidemeure un mystère pour bon nombre dʼentre nous,Michel Frémont a rédigé cet article qui sent un peu lesoufre et beaucoup lʼhydrogène.Fonctionnement de lapile à combustibleDoc : Nothwest Power SystemsLa pile à combustible, mais c’esttrès simple !La pile à combustible n’est pas une invention nouvelle: c’est en 1839 que le principe est découvert parun chercheur anglais. Les premières applications ontété les programmes spatiaux américains Gemini etApollo. La pile à combustible offre aux compagniesélectriques une solution énergétiquement performanteet non polluante, pour une production décentralisée.En association avec les énergies renouvelables(solaire, éolien, biogaz), elle permet de stockerl’énergie sous forme d’hydrogène et de la restituer aumoment où l’on en a besoin. En effet, le seul problèmelié aux énergies renouvelables c’est que celles-cine produisent pas l’énergie en fonction de la demande.L’autre intérêtest lef o n c -Cataliseurau platinePlaque séparatriceMembraned’échangede protonsPlaque séparatriceAIR&EAUtionnementen cogénération des piles à combustiblespermettant un usage simultané de la chaleur et del’électricité. Le rendement électrique des piles peutatteindre 50 à 60 %.Principe de fonctionnementTout le monde connaît l’expérience de l’électrolysede l’eau qui permet, en faisant passer un courantcontinu dans l’eau de récupérer sur une électrode del’oxygène et sur l’autre de l’hydrogène, tout en produisantde la chaleur. La pile fonctionne, si l’on peutdire, à l’envers : l’hydrogène entre dans la pile constituéed’une couche d’électrolyte poreuse sur les deuxfaces en contact avec une anode et une cathode.L’hydrogène issu du combustible et le gaz oxydantqui n’est autre que l’air ambiant, constitué pour beaucoupd’oxygène, échangent leurs électrons par intermédiairede l’électrolyte (voir schéma). C’est vraimentune réaction chimique d’oxydation de l’hydrogènecombustible et de réduction de l’oxygène qui seproduit, c’est pourquoi ce procédé porte le nom depile.Cette production de courant continu s’accompagnede production de chaleur que l’on peut utiliser directementen cogénération, cette chaleur étant valorisablecomplètement (on peut également à partirde celle-ci créer du froid ). Le courant continuissu de la pile peut être transformé en courantalternatif à l’aide d’un onduleur, pour l’exploitationsur un réseau traditionnel. Le seul rejetdans la nature de cette combustion est de l’eaupure H2O qui peut facilement être utilisée (neserait-ce que pour produire de nouveau de l’hydrogèneen circuit fermé par électrolyse, ce quise passe dans l’espace).Contrairement aux installations classiques decombustion, le rendement électrique d’une pile nedépend pas de la taille de l’installation. Cela permetla construction de petites unités, très proches desconsommateurs qui fournissent non seulement del’énergie électrique mais également de l’eau chaude.Le rendement global de l’installation dans ce caspeut atteindre 90 %.n°4 août-septembre 2001 23
24Doc : Nothwest Power SystemsElectricitéMéthanolouGaz naturelCombustibleAux Etats-Unis, des centaines de maisons sont déjàéquipées de ce type de pile dans un cadre expérimentalqui doit déboucher sur des commercialisationsdès 2003. Le rendement de 80/ 90 % le rendtrès intéressant.La pile peut êtres alimentée dedifférentes façons :- par l’hydrogène, directement, pouvant être produitpar des sources renouvelables, mais également defaçon industrielle, ce qui pose le problème de l’encombrementet du stockage. Dans l’avenir cet hydrogènepourra être transporté par les gazoducs. Laréglementation considère l’hydrogène comme unproduit chimique et non comme un carburant, ce quirend son utilisation plus difficile.- par le méthanol et le gaz naturel plus facilementstockables et que l’on transforme en hydrogène dansun reformeur à la vapeur d’eau (voir schéma). Cettesolution permet, en attendant la diffusion plus importantede l’hydrogène, de mettre en place ce type depile dès maintenant.- par un combustible facile à stocker que l’on injectedirectement au niveau de l’électrode négative(méthane, monoxyde de carbone).ChauffageReformeurAir conditionnéLes différentes piles :Il y a cinq types de pile à combustible en cours d’étudeet de développement qui ont des domaines d’applicationet des caractéristiques différentes. Certainsont déjà des débouchés sur des applications industrielles,d’autres n’en sont encore qu’au stade du prototypemais promettent de sérieux débouchés.La pile « Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) »C’est actuellement le modèle le plus répandu sur lemarché. Elle fournit d’ores et déjà de l’énergie pourdes hôpitaux, des écoles, des hôtels ainsi que desterminaux d’aéroports, essentiellement aux Etats-Unis. C’est cette pile qui a été installé à Chelles dansla région parisienne avec GDF et EDF pour alimenterun lotissement (d’une puissance de 200 kW). Elleproduit de l’électricité avec un rendement de plus de40 %. Combinée avec une centrale de Cogénération,son rendement électrique hors circuit vapeurEn°4 août-septembre 2001Chauffagede l’eauEau purePile àcombustibleapproche de 45 %.Son coût est encore élevé, mais aux Etats-Unis denombreuses entreprises construisent des usinespour sa fabrication en série. Elle sera utilisée pourl’habitat résidentiel.La pile « Proton Exchange Membrane Fuel Cell »(PEMFC)Elle opère à basse température (100 °C) et bénéficied’une forte densité de puissance par rapport à sonvolume. Son utilisation est très souple, elle peutaccepter de grandes variations de puissance rapide,ce qui s’avère très intéressant pour certaines applicationsqui nécessitent des temps de réponse trèsbrefs (automobile par exemple). On en trouve sur lecommerce jusqu’à 60 kW, pour une densité de puissancede 2 kg/kW.La pile « Mollen Carbonate Fuel Cell » (MCFC)Elle opère à haute température (600 °C) et peut utiliserdes combustibles dérivés du charbon.La pile « Solid Oxid Fuel Cell » (SOFC)Elle a un avenir prometteur dans le domaine desapplications industrielles de grande puissance. Elleutilise des céramiques à la place des électrolytesliquides, ce qui permet d’atteindre sans dommagesdes températures de 1000°C. Son efficacité énergétiquepermet d’atteindre 60 %; son application principaleest la Cogénération. Un groupe américain metau point une série de modèles de 300 kW, 1,5 MW etmême 3 MW. L’installation de 3 MW pourra tenir surun terrain de tennis pour alimenter en chaleur et enélectricité un ensemble de quartiers.La pile « Alkaline Fuel Cell » (AFC)C’est la pile historique utilisée par la NASA dans lesprogrammes Apollo à la fin des années 60 en associationaux panneaux solaires. Son rendement peutdépasser 70 %. L’électrolyte comprend de l’hydroxydede potassium. Néanmoins son coût très élevélimite fortement son développement commercial.Des recherches sont en cours pour permettre deréduire ses coûts de fabrication et pour améliorer sasouplesse d’utilisation.Autres types de piles à combustiblesUne pile utilisant du méthanol (DMFC) est apparueassez récemment. Elle est équivalente à la pile avecmembrane d’échange de proton (PEMFC) dans lamesure où elles utilisent toutes les deux une membraneen polymère. Cependant, dans ce nouveautype, l’anode extrait elle-même l’hydrogène duméthanol, ce qui évite d’utiliser un reformeur pourextraire l’hydrogène. Cette pile fonctionne à des températuresinférieures à 80 °C, et elle pourra atteindredes rendements de 40 %. La recherche vise à augmenterla température de fonctionnement pour augmenterle rendement.Découvert récemment, la pile régénérativeDans ce système, l’eau est séparée entre hydrogèneet oxygène à l’aide d’un électrolyseur solaire.L’oxygène et l’hydrogène sont injectés dans la pilepour produire à la fois de l’électricité et de l’eau (etdonc de la chaleur). L’eau refroidie est alors réintroduitedans l’électrolyseur solaire ce qui permet derecommencer le cycle. Cette application est très intéressantepour les applications spatiales, la NASA ytravaille activement.
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