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RÉSUMÉ
L’utilisation de piles à combustible permettrait de réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone) et de gaz nocifs (oxydes d’azote). De plus, leurs rendements élevés en électricité (45 à 50 %) et en cogénération d'électricité, plus chaleur (90 à 95 %), permettrait de réduire considérablement l’importation de combustibles fossiles.
Cet article se propose de rappeler le principe des piles à combustible en se basant sur la thermodynamique et la cinétique des réactions électrochimiques impliquées et de discuter des rendements énergétiques selon les différents combustibles impliqués : hydrogène, gaz naturel, hydrocarbures, méthanol, biomasse, ammoniac, etc. À titre d’exemple, les piles à basse température, utilisant des membranes protoniques ou anioniques, y seront présentées, ainsi que la pile à oxydation directe du méthanol.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Claude LAMY : Professeur émérite, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier - Membre de France Hydrogène, France
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Michel CASSIR : Professeur émérite, Chimie ParisTech, université PSL, Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), France
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Daniel HISSEL : Professeur, université de Franche-Comté, Institut universitaire de France (IUF), FEMTO-ST, CNRS - Directeur-adjoint Fédération nationale hydrogène du CNRS
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Gilles TAILLADES : Professeur, directeur de la mention énergie, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
Depuis leur invention en 1839, les perspectives d’un développement commercial des piles à combustible n’ont jamais été aussi bonnes, par suite des efforts de la recherche, de choix stratégiques de grands groupes industriels, de constructeurs automobiles et en réponse à un contexte environnemental, sociétal et politique en forte évolution.
Le principe général des piles à combustible est d’abord rappelé en évaluant les grandeurs thermodynamiques et cinétiques des réactions électrochimiques impliquées (oxydation du combustible à l’anode, réduction de l’oxygène à la cathode) dans un large domaine de température (25 °C à 1 000 °C) afin d’introduire les piles fonctionnant à basse température et à haute température. Les piles basse température (piles hydrogène/oxygène à membranes et pile à oxydation directe du méthanol) sont ensuite décrites en détails.
Les Piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) ont maintenant atteint des niveaux de maturité technologique importants permettant, au-delà de simples démonstrations, une réelle production industrielle, ainsi que leur commercialisation dans de multiples domaines : production d’énergie électrique stationnaire (bâtiments et centrales électriques, alimentation de secours, groupes électrogènes pour l’événementiel), mobilité terrestre (vélos, véhicules légers, camions, autobus, trains), navigation fluviale et maritime, applications aérospatiales (avion, drones, lanceurs, satellites). Elles ont une bonne compacité en termes de puissance spécifique (> 3 kW · kg–1 et > 3 kW · L–1), de bonnes perspectives de réduction de coût et des durées de vie suffisantes.
Les autres piles (AFC, PAFC, MCFC, SOFC, PCFC), décrites dans les 3 articles associés, ont également un certain nombre d’avantages pour des applications similaires, tandis que les Piles à oxydation directe du méthanol (DMFC) visent essentiellement les applications portables.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
Cinétique de réaction pile à combustible thermodynamique hydrogène Rendement exergétique Cogénération biomasse ammoniac piles à membranes polymères piles à oxydation directe du méthanol
VERSIONS
- Version archivée 1 de août 2000 par Philippe STEVENS, Frédéric NOVEL-CATTIN, Abdel HAMMOU, Claude LAMY, Michel CASSIR
DOI (Digital Object Identifier)
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Pile à combustible à oxydation directe du méthanol
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5. Piles à combustible à membrane polymère
Les piles à combustible à membrane polymère, actuellement développées, sont de deux types selon la nature du polymère utilisé : piles à combustible à membrane protonique (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC) et piles à combustible à membrane anionique (Anion Exchange Membrane Fuel Cell – AEMFC) (figure 11).
5.1 Cellule élémentaire
Les cellules sont constituées d’un empilement de couches : une couche de canaux pour transporter l’hydrogène, une couche de diffusion pour le répartir à la surface de la couche catalytique et adhérer à la membrane, une membrane, puis à nouveau une couche catalytique et une couche de diffusion, et une couche de canaux où circulent l’oxygène (ou l’air) et l’eau produite.
Une encre catalytique est appliquée avant l’assemblage entre la membrane et la couche de diffusion.
Une cellule élémentaire de piles à membrane polymère (figure 12) consiste en un Assemblage Membrane Electrodes (AME) dans lequel le polymère ionique (membrane protonique ou membrane anionique) joue le rôle d’électrolyte solide et de séparateur des compartiments anodique et cathodique.
La conductivité ionique de la membrane doit être suffisante (σ > 10–2 S/cm) afin de limiter les pertes d’énergie électrique par effet Joule dans les résistances associées à l’AME. De plus, la membrane doit bloquer tout transfert d’électrons et toute fuite de gaz entre les électrodes. Elle a également un rôle de support mécanique des électrodes sur chacune de ses faces. Son épaisseur, généralement comprise entre 10 et 200 μm, résulte d’un compromis entre ces divers paramètres : les caractéristiques mécaniques, la conductivité ionique, la perméation des gaz, les caractéristiques d’hydratation et le coût de fabrication.
L’étanchéité aux gaz est assurée par des joints en général de Téflon (polytétrafluoroéthylène ou PTFE) sur lesquels sont pressées les plaques bipolaires contenant des canaux pour le transport des gaz réactifs vers les électrodes et l’évacuation de l’eau produite. Ces plaques, en contact intime avec la surface...
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Piles à combustible à membrane polymère
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOCKRIS (J.O’M.), SRINIVASAN (S.) - Fuel Cells: their electrochemistry. - McGraw Hill Book Co., New York (1969).
-
(2) - TILAK (B.-V.), YEO (R.-S.), SRINIVASAN (S.) - Electrochemical Energy Conversion and Storage, dans Comprehensive Treatise of Electrochemistry. - J. O’M. Bockris, B.E. Conway, E. Yeager et R.E. White (Eds.), vol. 3, Plenum Press, New York (1981).
-
(3) - VIELSTICH (W.), GASTEIGER (H.), LAMM (A.) - Handbook of fuel cells: fundamentals and survey of systems. - Vol. 1, Wiley, Chichester (2003).
-
(4) - SØRENSEN (B.) - Hydrogen and Fuel Cell Emerging Technologies and Applications. - Elsevier Academic Press, New York (2005).
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(5) - STOLTEN (D.) - Hydrogen and Fuel Cells, Fundamentals, Technologies and Applications. - Wiley-VCH, Weinheim (2010).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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GENEPAC : pile à combustible PEMFC issue du partenariat PSA Peugeot Citroën (Stellantis) et CEA.
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Piles à combustible PEMFC et SOFC – Description et gestion du système.
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Piles à combustible PEMFC et SOFC – Transferts de chaleur et de masse.
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Applications mobiles et stationnaires de l’hydrogène dans la transition énergétique.
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