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La Technologie Hydrogène en détails...

auteur de l'article : Dominique Pons

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Introduction

Une pile à combustible transforme de l'énergie de liaison chimique en énergie électrique.
L'avantage, au moins théorique, d'une pile à combustible réside dans la simplicité du process. La réaction chimique libère directement des électrons. Dans les autres types de vecteurs d'énergie (moteurs à explosion, et toute combustion de type autre que piles à combustible), on est limité par les principes de la thermodynamique et les rendements de type Cycle de Carnot. Dans le cas d'une pile à combustible, le rendement n'est au moins pas limité par de telles considérations. En théorie, on devrait donc avoir quelque chose de moins compliqué (une seule étape) et plus rentable, moins cher, etc.
La technologie n'en est pas encore là, en particulier à cause de problèmes de stockage du combustible (Hydrogène le plus souvent), de sa production (à partir de pétrole...) et enfin de son rendement global réel qui n'est pas si concurrentiel que cela par rapport au cycle de Carnot...
On présente ici quelques clés pour comprendre le fonctionnement d'une pile à combustible, et cerner les principaux paramètres sur lesquels jouer pour améliorer leur efficacité. Certains préalables sont nécessaires en chimie, thermodynamique et électrochimie en particulier. Le lecteur pourra aisément les passer lors d'une lecture rapide et s'y reporter au besoin.


Bref Historique
Partie réalisée plus tard.

Les différents types de Piles à Combustible
Partie réalisée plus tard.

Préalables de Chimie, d'électrochimie et de Thermodynamique

Le principe d'une Pile à combustible est basée sur l'utilisation des électrons échangés au cours de la réaction d'oxydoréduction qui a lieu entre l'oxygène et le dihydrogène. L'étude approfondie des piles à combustibles demande donc une certaine connaissance de la chimie, de l'électrochimie et de thermodynamique. En effet les réactions et équilibres en jeu au sein d'une cellule de pile à combustible sont régies par de nombreuses lois empiriques ou établies, plus ou moins complexes.









Une Pile à Combustible vue de l'intérieur

Le schéma d'une pile à combustible est représenté ci-dessous. On cherche à utiliser les électrons échangés lors de la réaction entre le dohydrogène et le dioxygène. Pour cela on sépare les gaz par une membrane étanche aux gaz. Il faut cependant rendre possible la réaction. La membrane doit donc pouvoir conduire les protons produits par le dihydrogène d'un côté de la membrane, jusqu'à l'autre côté pour y rencontrer les ions HO¯ issus de la dissociation du dihydrogène. Ces deux réactions de dissociation du dihydrogène et du dioxygène sont des demi-équations électrochimiques d'oxydo réduction. Les électrons échangés sont collectés sur l'anode par une collectrice, transmis au circuit électrique et rendus de l'autre côté de la membrane pour autoriser la dissociation du dioxygène. On a ainsi profité des électrons.
On remarque que la pile ne produit que de l'eau comme déchet. Il peut cependant y avoir des déchets issus de l'oxydation de certains composants par l'oxygène dissout dans l'eau, ou la dégradation progressive de la membrane, des cathodes et des plaques collectrices.

Typiquement, une cellule telle que représentée ci-dessus produit au maximum 1 Volt, souvent moins (0,6 Volt par exemple). L'intensité du courant délivré dépendra des débits de gaz, des caractéristiques de la pile, etc. Pour obtenir un plus grand voltage, il "suffit" de coller plusieurs cellules en série comme sur le schéma qui suit.

Conditions Opératoires d'une Pile à Combustible
   
    Pression de fonctionnement d'une PAC
    La pression entrante des gaz influe sur la caractéristique de la pile. De façon général, son effet est nul à courant nul, et augmente avec l'intensité du courant, jusqu'à atteindre une pressurisation maximale au-delà de laquelle le stack se déteriore ou bien le système redevient moins optimal. Ces considérations ne sont énoncées que dans le cadre de la première loi des Piles à Combustible : "la modification d'un paramètre pour obtenir un effet donné entraine la modification d'au moins deux autres paramètres, dont l'un au moins a un effet contraire à l'effet recherché". Il s'agit de toutes façons d'un problème d'optimisation, comme toujours avec les PACs. On peut aussi noter que des variations de pression atmosphérique suffisent à modifier une caractéristique.

    Température de fonctionnement d'une PAC
    De même que pour la pression de fonctionnement, le potentiel d'une pile augmente avec la température. Cependant, il faut également prendre en compte le premier principe des PACs, et ne pas dépasser certaines températures de chute brutal du rendement ou de dégradation du système.
    En général, une PAC fonctionne aussi en dehors de sa température idéal de fonctionnement. Cette température correspond seulement à une optimisation du rendement. Par exemple, la majorité des PAC fonctionnent à température ambiante. On peut alors se servir de la chaleur dégagée par la pile pour la réchauffer. Pour les piles de petite dimension, il faut apporter de la chaleur de l'extérieur, au moins pour atteindre le point de fonctionnement dans un temps raisonnable.
    Pour maintenir la pile à une température de fonctionnement donnée, il faut pouvoir évacuer la chaleur produite par la réaction électrochimique. C'est un inconvénient qui se révèle très avantageux lorsqu'on met en place un système de cogénération. La chaleur produite en trop sert alors à l'usage domestique ou local, ou est réutilisée dans un cycle de Carnot quelconque. On passe alors d'un rendement de quelque 40% à un rendement global de plus de 80% en cycle combiné.
    La chaleur peut être évacuée de deux façons différentes :
        - par dissipation à travers les parois extérieures du stack en contact avec l'air ambiant
        - par convection grâce au flux d'eau traversant la pile, ou par un autre fluide circulant au sein du stack dans un circuit indépendant


Design du Stack
(à suivre)

Design général
(à suivre)


Modélisations du comportement d'une Pile à Combustible



Caractérisations d'une Pile
Il existe deux façons principales de caractériser une Pile à Combustible grâce aux moyens de l'électrocinétique.
Pour étudier l'efficacité, la puissance maximale produite, le fonctionnement général de la pile, on préfèrera généralement les courbes de polarisations. Pour l'étude des micromécanismes électrochimiques, d'échanges aux interfaces, d'équilibres thermodynamiques, on utilisera les diagrammes d'impédance.

Courbes de Polarisation (courant-tension)

Sur une courbe de polarisation, on distingue typiquement trois zones :
(a) : chute de U (polarisations induites par les transferts de charges aux interfaces)‏
(b) : comportement “anti”-résistif (U = - R I ) (chute ohmique dans la membrane)‏
(c) : forte chute de tension (saturation du débit gaz aux interfaces : retour des polarisations)‏

=> On peut réaliser une première étude décorrélée de chacune des zones de la pile : (a) interfaces membrane-électrode, (b) membrane, (c) alimentation en gaz et limitations de la pile. On a ainsi accès à l'influence de la modification d'un paramètre sur chacune de ces parties (exemple : influence de la température de fonctionnement, de l'humidification des gaz, etc).

Diagrammes d'Impédance
Une cellule de PAC peut être assimilée à un dipôle actif. Il possède une impédance complexe propre, que l'on peut mesurer pour différentes situations et scénarios de sollicitations. Un diagramme d'Impédance est tracé pour plusieurs fréquences d'excitation du dipole, et met en relation les parties imaginaire et réelle de l'Impédance de la Pile.
D'excellentes explications très complètes peuvent être trouvées sur ce site : http://electrochimie.enseeg.inpg.fr/RapportERASE.htm.

Applications des Piles à Combustible
Partie réalisée plus tard.

Géopolitique et Considérations économiques
Partie réalisée plus tard.
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