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Principe de fonctionnement des piles à combustible
Une pile à combustible est une pile dans laquelle la génération d’une tension électrique se fait grâce à l’oxydation à l’anode d’un combustible réducteur par exemple l’hydrogène couplée à la réduction à la cathode d’un oxydant, tel que l’oxygène apporté soit pur, soit par l’air. Une espèce dite porteuse de charge est échangée vers l’anode ou la cathode selon sa charge via l’électrolyte solide ou liquide. Le principe de la pile à combustible est l’inverse de celui d’un électrolyseur. La réaction chimique produite par l’ oxydation et la rencontre de gaz produit de l’électricité, de l’eau et de la chaleur. Les températures de fonctionnement des piles à combustible varient de 60 à 1000°C selon la technologie. Les réactions d’oxydation de l’hydrogène et de réduction de l’oxygène étant lentes à ces températures, il est indispensable d’utiliser un catalyseur stable dans le milieu considéré (acide ou basique).
Les piles à combustible à basse température
Les piles à basse température (DMFC, AFC, PEMFC) sont plus facilement utilisées pour des applications mobiles, portables ou pour des véhicules . La faiblesse de leurs températures permet un démarrage rapide, une grande souplesse de fonctionnement et une meilleure gestion thermique parce qu’il y aura moins de chaleur à évacuer contrairement aux piles à haute température. La température de fonctionnement étant faible, la présence d’un catalyseur est indispensable pour que le rendement de la réaction soit acceptable. Ces catalyseurs à base de métaux précieux (argent, platine, palladium), induisent un coût élevé et sont très sensibles à la présence d’oxyde de carbone ou de dioxyde de carbone .
Cependant, une purification poussée de l’hydrogène, du combustible et du comburant s’avère indispensable pour éliminer le monoxyde et le dioxyde de carbone.
Les AFC : piles à combustible alcaline : La température de fonctionnement des AFC se situent entre 60 et 90°C. L’électrolyte utilisé est le KOH. Les ions hydroxydes participent à la réaction d’échange électronique aux électrodes . L’ électrolyte est un produit très courant et le catalyseur le plus utilisé correspond au Nickel bien moins cher que le platine des autres piles à combustible. Ceci explique clairement leur très faible coût de fabrication. De plus les AFC produisent de l ‘eau pure : voilà pourquoi la NASA les a incluses dans leurs fusées pour fournir aux occupants d’électricités. Elles peuvent produire jusqu’à 20 KW d’énergie électrique.
Leur inconvénient majeur est leur sensibilité au C02 qui réagira avec le KOH pour donner du K2C03. Ces piles doivent être alimentées par des gaz purs ce qui augmente leur coût de fonctionnement. Leur faible durée de vie par rapport aux autres piles est due au caractère corrosif du KOH . Pour trouver une solution à ces problèmes l’utilisation de polymères échangeurs d’ions hydroxydes comme électrolyte s’avère indispensable. On parlera de pile alcaline solide.
Les PEMFC: pile à combustible à membrane échangeuse de proton Les PEMFC furent inventées au début des années 1960 par Willard Thomas Grubb et Lee Niedrach . Dans une pile PEMFC, les électrodes de chaque cellule sont en contact avec une membrane en matériau polymère assurant la fonction d’électrolyte. Les faces d’ électrodes en carbone sont recouvertes par un catalyseur à base de platine (coté anodique et cathodique). L’ensemble EME (cellule élémentaire électrochimique) est alimenté en réactif par des plaques bipolaires de distribution qui permettent également la mise en série électrique des cellules, la collecte des électrons et la circulation du liquide refroidissant. L’oxygène et l’hydrogène circulent respectivement dans les canaux anodiques et cathodiques et se diffusent dans les couches de diffusion afin d’atteindre les zones actives des électrodes de façon homogène. Ces zones actives sont le siège d’une réaction d’oxydoréduction. Ce type de pile fait actuellement l’objet des plus gros efforts de développement essentiellement en raison de la disponibilité d’une membrane électrolyte à conduction protonique qui a été initialement conçue pour l’ électrolyte chlore-soude.
Les piles à combustible à haute température
Les piles fonctionnant à haute température présentent plusieurs avantages. On les utilise pour la production d’électricité décentralisée ou la cogénération, domaine couvrant des puissances de 1 KW jusqu’à quelques dizaines de MW. Elles permettent l’utilisation directe d’hydrocarbures comme combustible ce qui supprime une opération de reformage pour obtenir de l’hydrogène. A ces températures, l’utilisation de catalyseur à base de métaux très précieux, très onéreux, n’est pas nécessaire. Les températures de fonctionnement élevées offrent la possibilité d’utiliser la chaleur produite sous forme de vapeur pour le chauffage urbain. Les piles à haute température trouvent une application dans la propulsion navale ou terrestre (trains ou camions).
Les SOFC : pile à combustible à oxyde solide : Les piles à oxyde solide sont apparues en même temps que les électrolytes solides grâce aux travaux de Nernst. Toutefois, il faut attendre 1937 et les travaux de Baur et Preiss pour que la première SOFC fonctionnant à 1 000°C voie le jour. Elles présentent des avantages par rapport aux autres piles. Les avantages des SOFC sont : une forte génération de chaleur permettant de les intégrer dans des systèmes nécessitant ce genre d’ apport, l’absence de métaux nobles, aucune émission de CÛ2.
Elles peuvent être utilisées dans le domaine des transports mais elles s’adaptent mieux aux applications stationnaires où le temps nécessaire pour atteindre la température de fonctionnement est sans importance . Grâce au fait qu’elles sont entièrement composées de matériaux solides, les SOFC présentent une forte conductivité.
Les PCFC: pile à combustible à céramique protonique Les PCFC sont basés sur des matériaux céramiques utilisés comme électrolyte dont les protons ont une conductivité élevée à haute température. Ce type de pile possède les mêmes avantages thermiques et cinétiques à température de fonctionnement élevée (vers 700°C) que les piles à oxyde solide. Les PCFC oxydent les combustibles fossiles directement à l’anode, cela élimine l’étape de production d’hydrogène du procédé de reformage qui est lui-même assez coûteux. L’électrolyte est un bon isolant, il impose les électrons à passer par un circuit extérieur ou leurs énergies seront exploitées. Les protons traversent l’ électrolyte jusqu’à la cathode, la réunion des protons, des électrons et de l’oxygène entraîne la formation d’eau à la cathode contrairement aux SOFC ou la vapeur d’eau est produite à l’anode.
En comparant les avantages des deux technologies SOFC ET PCFC, la technologie PCFC apporterait plus de solutions en accord dans l’industrie. La température de fonctionnement élevée (400-600 °C) leur offre un bon rendement énergétique.
Les matériaux inorganiques pour les piles à combustible de type SOFC
Les matériaux d’électrolyte : Les matériaux d’électrolyte doivent être denses afin de séparer les compartiments de l’oxygène et du combustible, donc chimiquement stable vis-à-vis de ces deux atmosphères.
Son rôle est d’acheminer les porteurs de charge de la cathode vers l’anode et de bloquer le passage des électrons afin d’ empêcher tout court-circuit . Les matériaux d’électrolyte doivent donc être de bons conducteurs ioniques et de mauvais conducteurs d’électrons. De plus, de bonnes propriétés thermiques et mécaniques sont indispensables pour une meilleure résistance aux chocs thermiques .
Les matériaux d’électrodes : Les électrodes des piles à combustible sont constituées de différents types de matériaux possédant des propriétés très intéressantes. Les principales propriétés recherchées pour ces matériaux sont : Une bonne stabilité chimique vis-à-vis de l’électrolyte pour plus de sécurité. Une bonne conductivité ionique et électronique afin d’assurer le transfert des porteurs de charge jusqu’aux sites de réactions.
Une porosité élevée pour favoriser le transport de matière en phase gazeuse, Être chimiquement inerte avec l’électrolyte pour éviter des réactions parasites Une bonne activité catalytique pour la réaction d’électrodes.
Afin d’être plus attractifs, les matériaux d’électrodes doivent répondre à certaines normes notamment un faible coût, une absence de toxicité et une mise en œuvre facile.
Table des matières
INTRODUCTION
1. Généralités sur les piles à combustible
1.1. Principe de fonctionnement des piles à combustible
1.2. Les différents types de piles à combustible
1.2.1. Les piles à combustible à basse température
1.2.1.1. Les AFC : piles à combustible alcaline
1.2.1.2. Les PEMFC: pile à combustible à membrane échangeuse de proton
1.2.1.3. DMFC : pile à combustible à méthanol direct
1.2.2. Les piles à combustible à haute température
1.2.2. 1. Les SOFC : pile à combustible à oxyde solide
1.2.2.2. Les PCFC : pile à combustible à céramique protonique
1.2.2.3. Les MCFC : pile à combustible à carbonate fondu
1.2.3. Les piles à combustible à température moyenne: les piles à combustible à acide
phosphorique : P AFC
1.3. Tableau bibliographique relatif aux différentes technologies de piles à combustible
Il Les matériaux inorganiques pour les piles à combustible de type SOFC
Il.1. Les matériaux d’électrolyte
Il.1.1. Les oxydes dérivés de la zircone
Il.1.2. Les apatites
Il.2. Les matériaux d’électrodes
Il.2.1. Les oxydes de type pérovskites
Il.2.2. Les structures des matériaux A2M04+ô
Il.2.3. Les structures « spinelles »
CONCLUSION
REFERENCES Bibliographiques
