L’Hydrogène et sa promesse des piles à combustibles (2/6)

L’Hydrogène et sa promesse des piles à combustibles (2/6)

Les piles à combustible produisent de l’électricité et de la chaleur à partir d’oxygène et d’hydrogène, sans pression et sans pollution.



 

  1. Une pile à combustible est constituée par la juxtaposition de ces piles de base. ©PaxiTech

 

Ceci est notre second article consacré à l’hydrogène, après une première présentation de cette énergie du futur. Tout le monde se souvient de l’électrolyse, cette expérience de Sciences Naturelles au lycée. On prend un réservoir rempli d’eau et, en faisant passer un courant électrique à l’intérieur grâce à deux électrodes, l’eau (H2O) se sépare en deux gaz, l’hydrogène et l’oxygène, ou plus exactement en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2).

 

Dans une pile à combustible se produit la réaction inverse. A partir de dioxygène (O2) et de dihydrogène (H2), une pile à combustible produit un courant électrique, de la chaleur et de l’eau. Oxygène et hydrogène sont ultra-abondants sur terre. La réaction n’engendre aucune pollution.

 

Produisant à la fois de la chaleur et de l’électricité, la pile à combustible apparaît donc comme le générateur domestique idéal. Oui, mais voilà : tout n’est pas rose. Les composants des piles à combustibles sont encore très coûteux et, selon les technologies utilisées, leur durée de vie peut être horriblement courte.

 

 

  1. Voici le schéma de fonctionnement d’une pile à combustible de type PEFM, celle que l’on retrouve dans un tout petit nombre de maisons individuelles. © Mission Hydrogène


Que se passe-t-il dans une pile à combustible ?

 

Les piles à combustible prévues pour le marché domestique, mais aussi pour l’équipement des voitures, sont du type PEM pour Proton Exchange Membrane. On les désigne aussi sous l’anagramme PEFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Fuel Cell signifie pile à combustible.

 

Dans une pile à combustible PEM, il se produit une oxydation. C’est-à-dire une réaction chimique durant laquelle apparaît un échange d’électrons entre un oxydant et un réducteur. L’oxydant capte les électrons. Tandis que le réducteur cède les électrons.

 

Dans une pile à combustible PEM, l’hydrogène est amené sur l’anode et est divisé par le catalyseur en ions positifs et en électrons négatifs. Le rôle du catalyseur consiste à accélérer cette réaction. Bloqués par l’électrolyte, les électrons font le tour et se déplacent jusqu’à la cathode par un conducteur électrique.

 

C’est ce qui produit un courant électrique, d’une intensité de 0,7 à 1 Volt selon les dimensions de la pile. En même temps, les ions d’hydrogène chargés positivement migrent à travers l’électrolyte (en réalité une membrane échangeuse d’ions) et se combinent à l’oxygène de l’air pour former de l’eau et libérer de la chaleur, à une température de 80°C environ.

 

Tout ceci se passe dans chaque élément de base de la pile à combustible. La machine que l’on appelle « pile à combustible » est composée de plusieurs piles de base, montées en parallèle.

 

 

  1. Les plaques bipolaires développées conjointement par le français Symbio FCell et par le CEA ont permis de diviser par deux le coût de production des piles à combustible produites par Symbio FCell. ©-cea

 

Les composants clé : des métaux rares…

 

Dans les piles à combustible, deux éléments sont particulièrement critiques : le catalyseur et les plaques bipolaires. Pour l’instant, les catalyseurs sont encore en platine : un métal rare, coûteux et dont 90 % des ressources mondiales connues sont partagées entre l’Afrique du Sud (80 %) et la Russie (10 %). Nous produisons environ 230 tonnes de platine par an seulement.

A ce rythme et compte-tenu des réserves évaluées à 13 000 tonnes sur terre, nous en avons encore pour moins de 60 ans. Mais la recherche progresse et de nouveaux catalyseurs seront sans doute découverts.

Le second composant vraiment important sont les plaques bipolaires. Comme il faut juxtaposer de nombreuses piles de base pour obtenir une puissance suffisante, les plaques bipolaires séparent deux piles et ont pour fonction la distribution de l’oxygène et de l’hydrogène, l’écoulement de l’eau et la collecte du courant électrique au sein des piles.

La recherche française est particulièrement bien placée dans ce domaine. La PME de pointe Symbio FCell, installée à Fontaine dans le 38, a développé avec l’aide du CEA une nouvelle génération de plaques bipolaires.

Elles sont incorporées dans les piles à combustible PEM de 5 à 20 kW que l’entreprise fabrique avant tout pour des véhicules et des bateaux. Associées à une optimisation des électrodes (anode et cathode), ces nouvelles plaques ont permis de doubler la puissance à volume égal – 2.9 kW dans un volume d’un litre -  et de simplifier l’assemblage des piles à combustible. Le but de Symbio FCell a été atteint : le coût de fabrication de ses piles à combustible a été divisé par deux.

 

 

  1. Dans la perspective d’une transition énergétique, les piles à combustible prennent place dans une chaîne de production destinée à compenser le caractère intermittent des production d’électricité renouvelables. © c-beurtey-cea


Plusieurs technologies de piles à combustible

 

On connaît une demi-douzaine de types différents de piles à combustible déjà développés, plus une autre demi-douzaine non-encore sortis des laboratoires. Voici un petit tableau récapitulatif des solutions déjà commercialisées.

 

Type Matériau constituant l’électrolyte Alimentation à l’anode Alimentation à la cathode Puissance électrique Rendement électrique Température de fonctionnement
AFC (Pile à combustible alcaline= Hydroxide de Potassium Dihydrogène H2 Dioxygène 10 à 100 kW

Pile seule : 70%
Système : 62%

60 – 90°C
DBFC (Pile à combustible à hydrure de bore direct) Membrane protonique ou anionique NaBH4 (Tétrahydruroborate de sodium) liquide Dioxygène 250 mW/cm² 50% pour une cellule de base 20 – 80°C
PEMFC (Pile à combustible à Membrane d’échange de protons) Membranes polymères Dihydrogène H2 Dioxygène 100 W à 500 kW Pile seule :
50 à 70%,
Système :
30 à 50%
60 à 220°C
DMFC (Pile à combustible à méthanol direct) Membranes polymères Méthanol Dioxygène 1 mW à 100 kW Pile seule :
20 à 30%
90 à 120°C
PAFC (Pile à combustible à acide phosphorique) Acide phosphorique Dihydrogène H2 Dioxygène Jusqu’à 10 MW Pile seule : 55%,
Système :
40%
200°C
MCFC (Pile à combustible à carbonate fondu) Carbonate de métaux alcalins Dihydrogène H2, Méthane, gaz de synthèse Dioxygène Jusqu’à 100 MW Pile seule : 55%,
Système : 47%
650°C
SOFC (Pile à combustible à oxyde solide) Céramique Dihydrogène H2, Méthane, gaz de synthèse Dioxygène Jusqu’à 100 MW Pile seule :
60 à 65%,
Système :
55 à 60 %
88 à 1050°C

 

Les piles à combustible que l’on utilise dans le bâtiment sont de type PEMFC. Les trois derniers types PAFC, MCFC, SOFC sont principalement employés aujourd’hui en production d’électricité pour le réseau ou en secours électrique en industrie.

 

Voilà, nous savons maintenant comment fonctionne une pile à combustible. Maintenant, qui en fabrique et en commercialise réellement ? C’est l’objet de notre troisième article.

 

 

  1. Petit indice, l’un des rares producteurs de piles à combustible pour des usages domestiques est allemand et fabrique toute sortes de générateurs de chauffage. © Viessmann

 

 

Source : batirama.com / Pascal Poggi

Articles qui devraient vous intéresser

13 Commentaires


argent
  • par Pascal Poggi
  • 0
  • 0

Un article à venir sera consacré à la production, mais aussi l'exploitation de l'hydrogène H2 en tant que ressource naturelle.


- -
  • par lavoisier2016
  • 0
  • 0

Et le combustible (hydrogène, dihydrogène...) on le produit comment?


argent
  • par Pascal Poggi
  • 0
  • 0

Non, pas de lien de parenté entre le Poggi de Corse et moi. En revanche, j'utiliserai cette expérimentation dans l'article sur le rôle de l'hydrogène dans le stockage d'énergie.


- -
  • par André Marseille
  • 0
  • 0

Pascal parent avec Philippe Poggi qui dirige la Plate-Forme MYRTE en Corse ? Cette plate-forme possède du PV (600kWc), un électrolyseur (50 Nm3/h) et une pile à combustible de 50 kW (21 M€). Merci pour ces deux articles que j'ai lu avec plaisir. Cordialement, André


argent
  • par Pascal Poggi
  • 0
  • 0

Al1, c'est bien ça : la différence de potentiel atteint une tension de 0.7 à 1 Volt par composant de base. La pile à combustible BlueGen de SOLIDpower combine 204 composants de base. Ils sont associés par 4 sur une plaque. 51 de ces plaques sont empilées pour atteindre une puissance électrique de 2.5 kW et une puissance thermique de 2 kW. Vous trouverez une description plus complète de cette machine dans le quatrième article.


- -
  • par Al1
  • 0
  • 0

Merci M. POGGI pour cette rectification mais, je suppose qu'en disant "Le courant généré par une seule pile atteint une tension de 0.7 à 1 Volt." que vous vouliez dire : La différence de potentiel générée par une seule pile atteint une tension de 0,7 à 1 Volt.


- -
  • par eaupale
  • 0
  • 0

C'est indéniablement la troisième révolution industrielle.


argent
  • par Pascal Poggi
  • 1
  • 0

Il semble bien que je confonde souvent intensité et tension. Le courant généré par une seule pile atteint une tension de 0.7 à 1 Volt. Ces piles de base sont empilées (stacked) jusqu'à atteindre une tension et une puissance thermique exploitables. Tout cela devrait devenir plus clair lors de la présentation plus détaillée du foinctionnement des piles à combustibles Vaillant (SOFC) et Viessmann (PEMFC).


- -
  • par Al1
  • 0
  • 0

Merci beaucoup Monsieur POGGI pour cet article super intéressant dans un domaine très prometteur, peu vulgarisé et en plein essor de recherche et développement. Il doit y avoir une coquille dans la phrase "C'est ce qui produit un courant électrique d'une intensité de 0,7 à 1 volt ..." Il doit falloir lire Ampère et non Volt. Je suppose qu'il doit également y avoir possibilité de faire des montages de piles en série et // pour obtenir des DDP standards autour de 12 ou 24 volts. Sauriez-vous nous en entretenir ?


- -
  • par Jipiboq
  • 1
  • 0

Je pense que l'auteur parle d'une intensité de 0,7 à 1A et non de volts. Il serait interressant de savoir aussi qu'elle est la tension (en Volt) aux bornes d'une plaque, donc finalement la puissance fournie par un element


- -
  • par Manu
  • 0
  • 0

Merci, c'est bien d'avoir un explicatif suffisamment vulgarisé pour appréhender mieux les informations que nous pouvons recevoir, disparates et lacunaires lors des salons, des découvertes et annonces. C'est un sujet passionnant capable de mobiliser bien des énergies, voire des savoir-faire dans nos métiers respectifs.


argent
  • par Pascal Poggi
  • 0
  • 0

J'ai commis une erreur dans ce second article, elle sera rectifiée dans le troisième et le quatrième : dans le bâtiment, on trouve non-seulement des piles PEMFC, mais aussi des piles SOFC.


- -
  • par ecolocost
  • 0
  • 0

Merci à Pascal Poggi pour cet article. J'ai hate d'avoir la suite de cette technologie prometteuse, écologique et inépuisable.

Laissez votre commentaire

Saisissez votre Pseudo (votre commentaire sera publié sous ce nom)

Saisissez votre email (une alerte sera envoyée à cette adresse pour vous avertir de la publication de votre commentaire)

Votre commentaire sera publié dans les plus brefs délais après validation par nos modérateurs.

ARTIDEVIS Autopub

Produits







Articles

Votre avis compte

Le secteur du bâtiment irait mieux depuis quelques mois, qu'en pensez-vous ? (2107 votants)
Oui, la reprise est bien là, les carnets de commandes se remplissent à nouveau
Non, le contexte économique reste très défavorable
Il est trop tôt pour se prononcer
 

Boutique