Piles à combustible

 Une pile à combustible réalise une réaction électrochimique inverse de l'électrolyse : de l'hydrogène et de l'oxygène réagissent avec production d'électricité et d'eau et dégagement de chaleur, selon la réaction :

H2 + 1/2 O2 -> H2O

On voit ainsi que si le combustible utilisé est bien de l'hydrogène pur, la pile à combustible a pour seul sous-produit de l'eau : c'est un générateur particulièrement propre.

Le cœur de la pile est composé de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte.

Dans certaines piles, comme les piles à oxydes solides (Solid Oxyde Fuel Cell ou SOFC en anglais), ce sont les ions oxydes O2- qui migrent de la cathode vers l'anode, et dans d'autres, comme les piles à membrane échangeuse de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou PEMFC en anglais), ce sont des cations H3O+ (protons hydratés) qui migrent de l'anode vers la cathode.

Pile SOFC

Dans une pile à oxydes solides (SOFC), ce sont les ions oxydes O2- qui migrent de la cathode vers l'anode, où l'eau est produite.

La pile se comporte comme un quadripôle : sur la figure ci-dessous, qui représente une cellule de pile, l'hydrogène entre en haut à gauche de la pile, se combine au niveau de l'anode avec les ions O2- pour former de l'eau, et ressort en bas à gauche enrichi en l'eau, tandis que l'air entre en haut à droite et ressort en bas à droite appauvri en oxygène.

Une pile SOFC travaille à très haute température (entre 600 et 1000 °C), de telle sorte que l'eau se trouve en sortie sous forme gazeuse.

Les deux réactions qui prennent place sont les suivantes :

A l'anode H2 + O2- -> H2O + 2 e-

A la cathode 12 O2 + 2 e- -> O2-

Pile PEMFC

Dans une pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC), ce sont les protons hydratés H3O+ qui migrent de l'anode vers la cathode, où l'eau est produite.

La pile se comporte comme un quadripôle : sur la figure ci-dessous, qui représente une cellule de pile, l'hydrogène entre en haut à gauche de la pile, se combine au niveau de l'anode avec de l'eau pour former des protons, et ressort en bas à gauche, tandis que l'air entre en haut à droite et ressort en bas à droite appauvri en oxygène et enrichi en eau.

Une pile PEMFC travaille à basse température (entre 80 et 120 °C), de telle sorte que l'eau se trouve en sortie sous forme liquide.

Les deux réactions qui prennent place sont les suivantes :

A l'anode H2 + 2 H2O -> 2 H3O+ + 2 e-

A la cathode 12 O2 + 2 H3O+ + 2 e- -> 3 H2O

Dans la réalité, pour que cette pile fonctionne, la membrane, qui doit être humidifiée sur ses deux faces, est perméable à l'eau. L'équilibre hydrique est régi par deux phénomènes se conjuguent : une partie de l'eau traverse la membrane de l'anode vers la cathode sous l'effet de l'électro-osmose, entraînée par les protons, tandis qu'une partie la traverse dans l'autre sens, par diffusion du fait de la différence de concentration entre les deux faces de la membrane.

Différents types de piles à combustible

Il existe plusieurs types de piles à combustible, généralement classées selon la nature de leur électrolyte

• la pile alcaline AFC (Alkaline Fuel Cell) utilise de la potasse comme électrolyte. Développée pour l’espace ce type de pile est utilisé dans tous les vols habités de la NASA et donne entière satisfaction et est bon marché, mais souffre de la nécessité de ne fonctionner qu'en l'absence de CO2, aujourd'hui produit du reformage. Sa température de fonctionnement est de 80 °C.
• la pile PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) utilise nous l'avons vu, une membrane électrolyte échangeuse de protons. Elle paraît aujourd'hui l'une des plus prometteuses et fait l'objet des plus gros efforts de développement et supplante ainsi la pile alcaline. Elle est susceptible de pouvoir être utilisée pour de nombreuses applications dans toutes les gammes de puissances depuis le watt jusqu’au MW. Son principal handicap est économique, mais des baisses de coût sont espérées à court terme. Sa température de fonctionnement est 80 °C.
• la pile PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) utilise de l'acide phosphorique comme électrolyte. Commercialisée par la société américaine ONSI Corp depuis plusieurs années, elle est surtout intéressante en cogénération compte tenu de sa température de fonctionnement de 200 °C.
• la pile MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) utilise des carbonates fondus comme électrolyte. Fonctionnant à haute température (650 °C), le transport ionique est effectué par des ions carbonates. Elle présente l'avantage de pouvoir être directement alimentée avec un gaz de synthèse, et de pouvoir être intégrée dans des cycles complexes à haut rendement en association avec des turbines à gaz.
• la pile SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) utilise un oxyde solide (ZrO2) dopé avec de faibles quantités d'oxyde de Calcium et d'oxydes d'ytrium.
  Son avantage principal est de pouvoir consommer du monoxyde de carbone. Fonctionnant à haute température (600 à 1000 °C),elle peut être intégrée dans des cycles complexes à haut rendement en association avec des turbines à gaz.

Séances Diapason disponibles

Les séances Diapason traitant des piles à combustible sont données dans le tableau ci-dessous. La séance S20 est plus particulièrement dédiée à la technologie, alors que les autres permettent de construire dans Thermoptim des modèles de turbine à gaz variés : dans la séance S21, on fait l'hypothèse que la machine est parcourue par de l'air, lui-même supposé parfait, ce qui permet de comparer les résultats avec ceux d'un modèle purement analytique. La séance S22 complète la précédente, l'air aspiré étant considéré comme un mélange de N2, O2 et Ar. La combustion est alors prise en compte. La séance S23 permet d'établir le bilan exergétique de la machine et d'étudier une variante à régénération. La séance S24 permet de construire directement un modèle de turbine à gaz avec combustion sans passer par le moèle à air parfait. Elle résume donc en quelque sorte les séances S21 et S22. La séance S20_aero présente les turbomoteurs, qui sont de simples variantes des turbines à gaz.