Etude d'un système énergétique à pile combustible destiné à une application résidentielle

1.2. Historique :

En 1839 William GROVE décrit la première pile à combustible. Elle fonctionne à l'hydrogène et à l'oxygène, à basse température, avec des électrodes de platine et de l'acide sulfurique comme électrolyte [1, 2].

Dans son expérience, il utilisait un tube en U avec deux électrodes en platine. Grâce à un courant électrique, il parvint à obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène: c'est ce que l'on appelle l'électrolyse. Mais en coupant ce courant, il constata que ces gaz donnaient lieu à un courant électrique de sens inverse au premier.

Cependant, cette technique resta ensuite plus ou moins dans l'oubli tandis que se développaient les machines thermiques, les accumulateurs et les piles électriques. Pourtant des chercheurs continuèrent de s'intéresser à cette technologie:

· En 1889, L. Mond et C. Langer introduisent les catalyseurs (platine) et perfectionnent l'électrolyte,

· en 1921, E. Baur découvrant l'importance de la cinétique et construit une cellule fonctionnant à haute température (1000°C),

· Au début du siècle, l'électrolyte est amélioré: introduction de nouveaux matériaux: carbonates fondus, oxydes solides, acide phosphorique qui seront la base des différents types des piles d'aujourd'hui.

Mais le progrès essentiel est marqué pour Francis T. Bacon qui construit une pile avec un électrolyte alcalin. Cette pile fonctionnait entre 80 et 200⁰.

On site une chronologie de développement des piles à combustible :

+ 1839: Découverte de la pile à combustible par WILLIAM grove. + 1945: les allemands et les russes débutent la recherche.

+ 1960: Utilisation par la NASA pour alimenter les fusées.

+ 1991: Commercialisation d'un moteur GPL fonctionnant au méthanol

+ Novembre 1998: Grand système allemand de pile à hydrogène et solaire (Evaluation du prototype).

+ Septembre 2000: La NASA lance une étude d'avions à hydrogène, incluant des cellules de carburant.

+ Février 2001: Agence des nations unies lance le projet d'autobus de cellule de carburant dans cinq pays en voie de développement.

+ 2002-2003: bus équipé d'une pile à combustible par Irisbus.

> Perspective future:

+ 2007-2008: la pile à combustible sera compétitive sur le marché des autobus.

+ 2010: le surcoût de la pile à combustible sera inférieur à 10% par rapport à un bus diesel. [9].

1.3. Principe de fonctionnement :

Une pile à combustible est un assemblage de cellules élémentaires, en nombre suffisant pour assurer la production électrochimique d'électricité dans les conditions de tension et courant voulues. Chaque cellule est constituée de deux compartiments différents alimentés chacun par les gaz réactifs. Les deux électrodes, séparées par l'électrolyte, complètent le dispositif. De façon générale, le fonctionnement électrochimique d'une cellule unitaire de pile à combustible peut se schématiser sous la forme donnée dans la figure (1.2) [2, 3,4].

+

Figure (1.1): Principe de fonctionnement d'une cellule ?? pile à combustible _H2/O2 [1, 8].

Les électrodes sont exposées à un flux de gaz qui fournit aux électrodes l'apport en carburant et en oxydant, soit l'hydrogène et l'oxygène, respectivement. Les électrodes doivent être perméables à ces gaz et elles possèdent donc une structure poreuse. La structure et la composition des électrodes peuvent être complexes et requièrent donc d'être optimisées pour des applications pratiques. L'électrolyte, pour sa part, doit posséder une perméabilité aussi faible que possible aux gaz. Pour les piles à combustible avec un électrolyte conducteur de protons (PEMFC), l'hydrogène est oxydé à l'anode et les protons sont transportés à travers l'électrolyte vers la cathode selon la réaction suivante [1,2] :

H2

2 H⁺ + 2 e- (1.1)

et à la cathode, l'oxygène est réduit selon la réaction:

O2+4e^- 2O^-2 (1.2)

Les électrons circulent par le circuit externe durant ces réactions. Une fois arrivés à la cathode, les protons se recombinent avec les ions oxygène pour former de l'eau selon la réaction:

2

1 O2 + 2 H⁺ + 2e- H2O (1.3)

Le bilan donne donc:

H2 + ¹ O2 H2O + chaleur + électricité (1.4)

2

Ces réactions d'oxydation de l'hydrogène (à l'anode) et de réduction de l'oxygène (à la cathode) s'effectuent à l'interface électrolyte/électrode en présence d'un catalyseur (platine), en des points appelés « points triples » figure (1.2) :

Figure (1.2): Schéma d'une zone active de cellule de pile à combustible _H2/O2 [1, 8].

En ces points, nous trouvons, autour de la particule de catalyseur :

· Une continuité physique avec l'électrolyte pour assurer la conduction des protons H⁺.

· Une continuité physique avec le conducteur électronique qu'est l'électrode, pour assurer la conduction des électrons eÎ.

· Une structure poreuse capable d'assurer la diffusion de l'hydrogène ou de l'oxygène moléculaire.

· Une structure hydrophobe pour assurer l'élimination de l'eau formée, dans le cas de la cathode.

· Une structure thermiquement conductrice pour assurer l'évacuation de la chaleur de réaction.

· Nous pouvons ainsi apprécier la difficulté de réalisation de cette interface qui représente un point clé de la réalisation de l'ensemble Electrode-Membrane-Electrode, appelé souvent EME.... [4]