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

1.6. Différents types des piles :

Les piles à combustible sont généralement six types classifiés selon la nature d'électrolyte utilisé, et leur température de fonctionnement, on distingue alors les piles à basse température (<200°C) et les piles à haute température (650- 100C°).Ces types sont :

V' -Les piles alcalines (AFC Akaline Fuel Cell) ;

V' -Les piles à membranes polymères échangeuses de protons (PEMFC Proton Exchange Membranes Fuel Cell) ;

V' -Les piles au Méthanol direct (DMFC Direct Methnol Fuel Cell) ;

V' -Les piles à acide phosphorique (PAFC Phosphoric Acid Feul Cell) ; V' -Les piles à carbonates fondus (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) ; V' -Les piles à oxydes solides (SOFC Solid Oxide Fuel Cell).

Le Tableau (1.1) décrit les six grandes catégories, leurs caractéristiques

techniques et leurs applications. [1,2, 9]

Type de pile	AFC PEMFC DMFC			PAFC MCFC SOFC
Gamme de température	Basse température			Haute température
Nom	Alkalin Fuel Cell	Polymer Exchange Membran Fuel Cell	Direct Methanol Fuel cell	Phosphoric Acid Fuel Cell	Molten Carbonate Fuel Cell	Solid Oxyd Fuel Cell
Niveau de température	60-80°C	60-100°C	60-100°C	180-220°C	600-660°C	700-1000°C
Electrolyte	Solution KOH	Membrane polymère conductrice de protons	Membrane polymère conductrice de protons	Acide phosphorique	Li2CO3 et KCO3 fondu dans une matrice LiAlO2	ZrO2 et Y2O3
Combustible	H2	H2 (pur ou reformé)	Méthanol	H2 (pur ou reformé)	H2 (pur ou reformé)	H2 (pur ou reformé)
Oxydants	O2 (pur)	Air	Air	Air	Air	Air
Gamme de puissance	1wà100kw	1kw à 10Mw	1w à 10Mw	1w à plusieurs kw	500kw à 10Mw	1kw à 100Mw
Rendement électrique	55-60%	35-45% +75% en cogénération	30 à 45%		50-60%	50-55% 75% en cogénération
Ions dans l'électrolyte	OH-	H+	H+	H+	CO32-	O2-
Domaines d'application	Spatial	Automobiles, Portable, Cogénération, Maritime	Portable	Cogénération	Cogénération Production centralisée d'électricité, Maritime (?)	Cogénération Production centralisée d'électricité Automobile (APU), Maritime (?)
Niveau de développement	Utilisée	Prototypes	Prototypes	Technologie mûre	Prototypes	Prototypes

Tableau (1.1): Description des six grandes catégories des piles à combustible [1, 2, 4].

1.6.1. La pile alcaline (AFC) :

Les piles AFC ont l'avantage d'avoir le meilleur rendement de toutes les piles à combustible, mais elles travaillent correctement seulement en utilisant des gaz très purs ce qui est considéré comme un inconvénient majeur pour de nombreuses applications.

Utilisée depuis le début des années 1940, cette pile se retrouve également à bord des vaisseaux spatiaux habités de la NASA depuis les trentes dernières années. Fonctionnant à des températures variant de 120 à 150°C, les réactions mises en jeu sont les suivantes:

à l'anode, avec un catalyseur au nickel ou au platine-palladium, on a la réaction:

2 H2 + 4 HO^-		4 H2O + 4 e-

et à la cathode, avec un catalyseur à l'oxyde de nickel, à argent ou au platine-or, on a la réaction:

O2 + 4 e- + 2 H2O 4 HO^-

Dans ce cas, l'électrolyte utilisé est une solution de KOH (généralement en concentration de 30 à 40%), qui est un électrolyte conducteur d'hydroxyde (OH^-). Comparé aux piles à électrolyte acide, cet électrolyte a l'avantage, d'accélérer la réduction de l'oxygène, ce qui en fait un système intéressant pour certaines applications spécifiques. L'électrolyte peut réagir avec le dioxyde de carbone pour former un composé de carbonate, ce qui réduit énormément le rendement de la pile à combustible. En effet, le CO2 contenu dans l'air réagit avec l'électrolyte dans la réaction suivante:

CO2 + 2 OH^- _?(CO3)^2-

Les catalyseurs sont habituellement une combinaison de nickel et d'un métal inactif, comme l'aluminium, permettant ainsi de réduire le coût global du système. Le magnésium métallique ou des composés de graphite sont utilisés pour les plaques bipolaires qui sont les connecteurs permettant de construire un assemblage (ou stack) en reliant plusieurs piles en série. [1,2]