d-/ La pile à combustible

a-/ Définition et histoire :

Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (comme l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.

 La pile à combustible fut inventée par Sir William Grove après que Sir Humphry Davy ait réalisé l'électrolyse de l'eau (1806) et que Christian Friedrich Schönbein ait découvert qu'un courant de sens inverse du précèdent traversait l'électrolyseur lors de la coupure du générateur. Ce fut avec l'aide de ce dernier que Schönbein réalisa cette première pile. La technologie sombre peu après dans l'oubli à cause de la faible production d'énergie qu'elle autorise. Néanmoins, L. Mond et C. Langer introduisent des catalyseurs et perfectionnent l'électrolyte. C'est au début du siècle que l'électrolyte est encore perfectionnée, pour donner naissance aux différents types de piles encore présents aujourd'hui.

b-/ Principe et fonctionnement :

La pile à combustible fonctionne selon le principe inverse de l'électrolyse de l'eau pure . Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique directement  : c'est un générateur. Le cœur comprend une anode (électrode positive) et une cathode (électrode négative), séparées par un électrolyte (un matériau qui bloque le passage des électrons). Grâce au catalyseur (platine couvrant les surfaces actives des électrodes), l'hydrogène se combine avec l'oxygène (contenu dans l'air); générant à la fois eau, chaleur et électricité. Souvent l'eau ainsi produite s'évacue naturellement dans l'air sous forme de vapeur.

 

 

                                                   Shéma d'une pile à combustible

L'hydrogène passe par l'anode ou il est oxydé; après dissociation ,il se forme des ion H+ et des élèctrons e-.

2H2 → 4H+ + 4e-

Les électrons ne pouvant pas passer par l'électrolyte, ils passent donc par un circuit annexe sur lequel est placé un dispositif électrique utilisateur (dans le cas  d'une voiture : un moteur électrique). Arrivé à la cathode, l'oxygène de l'air se combine avec les ions hydrogène et les électrons qui rejoignent le circuit; il se forme alors de l'eau:

 

 

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

2H2 → 4H+ + 4e-

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

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O2 + 2H2 → 2H2O

 

 

 

c-/ La PEMFC (Proton Exchange Menbrane Fuel) :

 

 

La pile à combustible la plus adaptée à une utilisation dans les moyens de transport est la PEMFC. Elle est préférée aux autre types piles
 pour les raisons suivantes :

- Elle n'est pas sensible aux divers polluants auquels est mêlé l'hydrogène.

- Sa faible température de fonctionnement permet un démarage rapide, une plus grande souplesse de fonctionnement et une meilleur gestion thermique. (moins de chaleur à évacuer )

- Ell est multie usage (effets de synergie) et couvre un large spectre de puissance.

 

Son principe de fonctionnement est le plus simple de toutes les piles. Elles est composée de plaques bipolaires, d'un backing, d'une anode et d'une cathode, ainsi qu'une menbrane échangeuse de protons.

 

Les plaques bipolaires servent à mesurer la distribution des gaz et l'évacuation de l'eau. Pour cela, l'une des faces est parcourue de micro-canaux de dimensions de l'ordre de 0.8mm. Ce sont aussi des collecteurs de courant. Les électrons produits par l'oxydation de l'hydrogène travèrsent le support d'anode puis la plaque, passent par le circuit extérieur et arrivent du coté de la cathode. Entourant les électrodes, ces backings (ou plaques de diffusion), d'une épaisseur de 100 à 300µm ont un double rôle. En effet, ils permettent la diffusion des gaz jusqu' aux électrodes et le transfert des électrons de l'anode vers la cathode. Ils doivent donc être conducteurs et poreux. De plus, ils assurent un rôle essentiel dans la gestion de l'eau dans la mesure ou il permettent d'une part son évacuation et d'autre part l'humidification de la membrane. La nature poreuse de ces supports permet au gaz de se diffuser, ce qui leur permet, en se dispersant, d'entre en contact avec la surface entière de la membrane.

 

 

Les électrodes sont ,elles, à base de métaux précieux, surtout du platine. Celui-ci est présent sous forme de très fines particules sur du charbon actif. Les électrodes doivent permettre de dissocier le dihydrogène ainsi que le transfert de protons vers l'electrolyte. A l'annode, le dihydrogène se diffuse à travers le matériau jusqu'au ce qu'il rencontre une particule de platine. Sous l'action du catalyseur , la molécule de dihydrogène se scinde en deux atomes d'hydrogène. Ceux-ci forme alors une laison avec deux atomes de platines (2Pt + H2 → 2PtH), puis chacun se scinde en un électron et un proton H+ (PtH + H2O → Pt + H3O+-) qui pourra alors traverser la membrane de l'anode vers la cathode. A la cathode, la réaction est O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O ; réaction qui se fait avec un catalyseur, le platine. + e

Pt + O2 → PtO2  ;  PtO2 + H+ + e- → PtO2H  ;  PtO2H + 3H+ + 3e- → 2H2O + Pt

 

 

 

La membrane doit séparer efficacement les gaz :  en effet, tous sont succeptibles de passer à travers, en particulier le dihydrogène qui est le plus petit mais aussi l'azote ou le dioxygène. Il faut cependant éviter un court circuit chimique (par exemple : une réaction entre l'hydrogène et l'air) ou une baisse de rendement par dilution de l'hydrogène par l'azote. Ces membranes fonctionnent à une température entre 60 et 90°C et à des pressions entre 1 et 5 bars. Au delà de ces températures, leurs performances commencent à se dégrader. Enfin, les électrons ne doivent pas pouvoir franchir la membrane. Seuls les ions  positifs hydrogène  H+ sont mobiles et libres de transporter la charge positive à travers la membrane, de l'anode vers la cathode. La conductivité ionique de la membrane dépend de la température, de la concentration en groupe acide et de l'hydratation de la membrane : celle-ci doit toujours rester saturée d'eau pour permettre le déplacement des ions  H+. En pratique, le dihydrogène (H2) est séparé, d'une part, en proton H+ qui traversent l'électrolyte à l'anode et en électrons e- qui vont sur un circuit électrique d'autre part. A la cathode, les protons qui ont traversé l'électrolyte, les molécules de dioxygène et les électrons se recombinent pour former de l'eau.

 

Il y a donc un déplacement des électrons dans le circuit électrique en tre l'anode et la cathode : un circuit électrique a été créé.

 

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