Principe de fonctionnement
Le principe de la pile à combustible repose sur la transformation directe de l‘énergie chimique d‘une réaction en énergie électrique et thermique. Dans le cas d‘une pile fonctionnant avec de l‘hydrogène et de l‘oxygène, la réaction chimique globale est la suivante : H2 + O2 H2O Équation 1: Réaction chimique globale se déroulant dans une pile hydrogène/oxygène Cette réaction se déroule dans une structure composée de deux électrodes (l‘anode et la cathode) séparées par un conducteur ionique, l‘électrolyte. Le rôle de l‘électrolyte est de séparer les réactifs tout en permettant un transfert de charge entre les deux électrodes. La réaction chimique globale (Équation 1) est le résultat de deux réactions électrochimiques (Équation 2, Équation 3) qui se déroulent à chaque interface électrode/électrolyte. L‘hydrogène (combustible) est oxydé à l‘anode qui constitue le pôle négatif de la pile : H2 → 2H+ + 2eÉquation 2: Oxydation électrochimique de l’hydrogène dans le cas d’un électrolyte acide L‘oxygène (comburant) est réduit à la cathode qui constitue le pôle positif de la pile : O2 + 2H+ + 2e- → H2O Équation 3: Réduction électrochimique de l’oxygène dans le cas d’un électrolyte acide
Les différents types de pile à combustible
Il existe différentes familles de pile à combustible se distinguant par la nature de leur électrolyte et donc par leur température de fonctionnement (Tableau 1). On peut distinguer les piles à combustible fonctionnant à haute température (SOFC et MCFC) de celles fonctionnant à basse température (PAFC, PEMFC et AFC). Les premières Chapitre I – Cadre bibliographique 23 ont l‘avantage de ne pas nécessiter de catalyseur couteux pour fonctionner contrairement aux piles basses températures. De plus, elles peuvent accepter d‘autres combustibles que l‘hydrogène (gaz naturel par exemple). Par ailleurs, contrairement aux piles basses températures, la présence de polluants dans le combustible tels que le CO est tolérée. L‘intérêt des piles à combustible basses températures réside, entre autres, dans leur capacité à démarrer rapidement, qualité indispensable dans des applications portables ou automobiles. Ce travail portant sur les piles à combustible PEM, nous nous concentrerons par la suite sur ce type de pile.
Applications des PEMFC
Les PEMFC présentent un large spectre de puissance, ce qui leur permet d‘être utilisées dans les trois grands types d‘applications des piles à combustible : embarquée (transport), stationnaire ou portable. Cette caractéristique devrait permettre de leur ouvrir un marché très important Parmi les différents types de piles à combustible, seule la pile de type PEMFC est capable de satisfaire aux exigences des applications automobiles (démarrages rapides et fréquents) sans compromettre sa longévité ou ses performances. Elle peut fournir une puissance importante dès son démarrage à température ambiante, c‘est à dire bien en dessous de sa température de fonctionnement. Les PEMFC peuvent également être utilisées pour un usage stationnaire pour fournir à la fois de l‘électricité et de la chaleur dans des installations de cogénération. Lors de son fonctionnement la pile génère en effet de la chaleur qui peut être valorisée dans le secteur du bâtiment. Elles peuvent également être utilisées comme générateurs de secours.
Intérêt des PEMFC
L‘intérêt des PEMFC est multiple. D‘un point de vue énergétique, ces piles à combustible permettraient de s‘affranchir partiellement du pétrole (en fonction du mode de production de l‘hydrogène, cf. I.1.6) notamment dans le domaine des transports. L‘économie mondiale en est en effet de plus en plus dépendante : entre 1998 et 2008 la consommation annuelle de pétrole a augmenté de près de 13 % [9]. Cette hausse de la consommation entraine une élévation importante de son prix, comme en 2008 où le prix du pétrole a atteint en juillet 133 $US/baril [10] et n‘a chuté qu‘en raison de la crise économique ayant entrainé une baisse de la demande. D‘un point de vue environnemental, les piles à combustible PEM représentent une opportunité pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, notamment dans le domaine des transports car elles n‘émettent pas de CO2 au niveau local. Alors que les émissions de CO2 ne cessent d‘augmenter dans tous les secteurs (Figure 1), de plus en plus d‘experts s‘accordent à dire que les émissions mondiales de CO2 doivent être réduites. En effet, d‘après le groupe d‘experts intergouvernemental sur l‘évolution du climat (GIEC), il est nécessaire de limiter la hausse des températures à moins de 2°C par rapport aux niveaux de l‘ère préindustrielle pour que les changements climatiques soient maitrisables. Selon les différents scénarii établis par le GIEC [11], pour que le seuil de 2°C ne soit pas dépassé, la croissance des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES) doit être arrêtée avant 2020, puis ces émissions doivent être réduites de plus de la moitié par rapport aux niveaux de 1990 d‘ici 2050.
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