Fonctionnement d'une Pile à combustible (PAC)

Le principe de la pile à combustible a été démontré par l’Anglais William Grove, en 1839: le processus peut être décrit comme l’inverse de l’électrolysede l’eau. En fait, il s’agit d’une combustion électrochimique contrôlée d’hydrogène et d’oxygène, avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur, selon une réaction chimique globale :

2H2+ O2→2H2O

Une PAC est un assemblage de cellules élémentaires, comprenant deux électrodes(l’anode et la cathode) chargées en catalyseur (le plus souvent du platine), séparées par un électrolyte, dont le rôle est de permettre la migration des ions d’une électrode à l’autre,sous l’effet du champ électrique créé.

•    L’anode(où se passe l’oxydation) est alimentée en combustible. (H2,, CH3OH,…)
•    La cathode(où se passe la réduction) est alimentée en comburant. (O2, air,…)

On voit donc que le combustible et le comburant n’entre pas en contact direct dans la pile à combustible.

Principe de fonctionnement d’une PAC acide H2/O2. (ex : PEMFC)

Dans les piles dites “ acide ”, l’hydrogène est oxydé à l’anode, c.-à-d. décomposé en protons et électrons. Les protons traversent ensuite l’électrolyte et se retrouvent à la cathode. Le déséquilibre en électrons crée un pôle positif et un pôle négatif entre lesquels circulent les électrons produisant ainsi de l’électricité. Simultanément à la cathode, les protons réagissent avec les électrons et l’oxygène et donnent de l’eau, seul sous-produit de cette réaction chimique.

Oxydation (anode) : 2H2→4H++ 4e-0,00 V

Réduction (cathode) : O2+ 4H++ 4e-→2H2O1,23 V

Réaction globale : 2H2+ O2→2H2O1,23 V

Rôle du catalyseur

Pour que les deux demi-réactions soient possible, il faut un catalyseur (c.-à-d. un composé capable d’augmenter la vitesse de réaction, sans être consommé lui-même).

Afin que le catalyseur puisse travailler efficacement, la création de zones activesdoit être assurée. Ces zones mettent en présence à la fois le gaz réactif, les électrons, les protons et le catalyseur, cela se réalise au niveau de l’interface électrode-électrolyte.

 

 

 

 

Moteurs thermiques

Voie conventionnelle de production d’énergie électrique : Processus en plusieurs étapes :

•   1. énergie chimique ⇒énergie thermique
•   2. énergie thermique ⇒travail (mécanique)
•   3. travail (mécanique) ⇒énergie électrique (générateur)

A chaque étape de ce processus on observe des pertes énergétiques. L’étape cruciale est la conversion de l’énergie thermique (chaleur) en travail (énergie mécanique). Le deuxième principe de la thermodynamique (ΔS > 0) nous dit que la chaleur ne peut pas être entièrement récupérée sous une autre forme d’énergie. Le rendement théorique (maximal) est donné par l’efficacité de Carnot ηc:

ηc= (Ts-Tenv)/Ts< 1Piles

Piles conventionnelles

Une réaction électrochimique s’écrit sous la forme :Ox1+ Réd2 <-> Réd1+ Ox2

Le potentiel de réaction est donné par l’équation de Nernst :

          

A courant non-nul, les réactifs (Ox1et Réd2) sont consommés et le potentiel diminue. Comme les réactifs (oxydant et réducteur) contenus dans la pile sont consommés, la pile doit être jetée et remplacée(batterie primaire) ou rechargée(batterie secondaire).De plus, les matériaux constituant les électrodes sont consommés. En effet, ils sont dégradés avec le temps pour finalement rendre le processus inactif : la pile est est usée.

 

Les piles à combustible

Dans les PACles réactifs sont renouvelés et les produits évacués en permanence, ce qui signifie qu’il y a production d’énergie électrique aussi longtemps que le système est alimenté en gaz réactifs (combustible et comburant). De même la structure(électrodes, électrolyte et sites réactifs) ne réagit pas et ne se dégrade pasau cours du temps.La durée de vie d’une pile à combustible est donc en théorie illimitée.

On distingue plusieurs types de piles à combustible et on les classifie selon la nature de l’électrolyte utilisé. Celui-ci détermine en même temps la température de fonctionnement.

•   AFC(AlkalineFuel Cell)
•   MCFC(MoltenCarbonate Fuel Cell)
•   SOFC(SolidOxideFuel Cell)
•   PAFC(PhosporicAcidFuel Cell)
•   PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
•   DMFC(Direct MethanolFuel Cell)