Carburants nouveaux, produire mieux en consommant moins

Transcription

1 Qu est ce qu une pile à combustible? La pile à combustible est un dispositif de production d énergie qui constitue une alternative au moteur thermique classique. Une pile à combustible convertit l énergie d un combustible en électricité par une réaction électrochimique, sans combustion. Les piles à combustibles sont donc analogues aux piles classiques et batteries, à l exception que les réactifs nécessaires à son fonctionnement sont constamment introduits, consommés et renouvelés. Comment fonctionne une pile à combustible? Une pile à combustible est constituée d un empilement de cellules identiques où se produit la réaction électrochimique de conversion de l énergie du combustible en électricité. Chacune de ces cellules est divisée en deux compartiments réalisés en carbone graphite, nommés l anode et la cathode, séparés par une membrane. Les réactifs de la pile à combustible sont généralement de l hydrogène, comme carburant, et de l oxygène (ou de l air), comme comburant. Ils réagissent au contact de métaux précieux (Pt, Ru), appelés catalyseurs, dispersés entre la membrane et un tissu de carbone. Figure 1 : L'intérieur d'une cellule de pile à combustible. Sur la gauche, on voit l'anode en graphite où sont gravés les canaux d'écoulement du gaz ; sur la droite il s'agit d'un dispositif similaire à la cathode, recouvert d'une membrane transparente et d'un tissu de carbone catalysé. Constatez l empilage des cellules. 1

2 Figure : La pile représentée schématiquement. Deux collecteurs métalliques récupèrent le courant produit, ils entourent les plaques de graphite servant d'électrode. Entre elles se trouve l'assemblage de la membrane et des tissus de carbone. Figure 3 : Vue de l'assemblage membrane-tissu de carbone. La membrane est collée entre deux tissus de carbone, l'un du côté hydrogène, l'autre du côté oxygène. L hydrogène est alimenté à l anode où, au contact des catalyseurs, il cède ses électrons : H H + + électrons

3 Les protons (H + ) sont collectés par la membrane, grâce à laquelle ils circulent de l anode vers la cathode. Les électrons émis traversent un circuit extérieur, fournissant ainsi de l électricité, puis rejoignent la cathode. La cathode est alimentée en oxygène, qui réagit avec les électrons et les protons, au contact de catalyseurs, pour produire de l eau : 1 O + H + + électrons HO Globalement, la réaction s écrit : H 1 + O H O + énergie électrique Figure 4 : Principe de fonctionnement d'une pile à combustible En conclusion, la pile à combustible consomme de l hydrogène et de l oxygène pour produire de l eau et de l énergie électrique. Le courant est obtenu sous une tension donnée, comprise en pratique entre 0,4 et 0,8V. Il est donc nécessaire de faire travailler simultanément un grand nombre de cellules individuelles pour obtenir une puissance électrique suffisante. 3

4 Comparaison avec un moteur thermique classique Le moteur thermique classique convertit l énergie du combustible l alimentant en une énergie mécanique au cours d un cycle thermique comprenant une combustion. Cette énergie mécanique peut soit être utilisée directement, comme dans un véhicule automobile, soit être convertie en électricité au moyen d un alternateur. Au contraire, la pile autorise une conversion directe de l énergie du combustible en électricité, l économie d une étape est de nature à augmenter le rendement. Mélange air-essence Processus de combustion à haute température (500 C) Gaz d échappement contenant de la vapeur d eau, des NO x, des hydrocarbures imbrûlés, du CO et du CO. Dégagement de chaleur refroidi par eau Puissance mécanique de sortie (rendement de 15 à 0 %) Figure 5 : Schéma de fonctionnement d'un moteur thermique Quels sont les avantages d une pile à combustible? Son rendement est beaucoup plus élevé que celui des moteurs thermiques classiques, on peut raisonnablement espérer 70 à 80 % contre 0 % pour les moteurs des automobiles actuelles. De plus, ce rendement est valable quelle que soit la taille de l unité, alors qu un moteur thermique ne donne des performances satisfaisantes qu au-delà d une taille minimale. En terme de protection de l environnement, la pile à combustible se distingue en plusieurs points. Alimentée en hydrogène, elle ne rejette que de l eau et pas de polluants tels que les NO x, SO x, CO, CO, De plus, son fonctionnement est silencieux, tout bénéfice pour le cadre de vie. En outre, elle devrait permettre à terme de sortir d une filière énergétique basée exclusivement sur les combustibles fossiles, à condition de développer des techniques de production d hydrogène à partir, notamment, de matières biodégradables. 4

5 Quelles perspectives d avenir? Dans un avenir proche, de nombreux constructeurs automobiles envisagent le lancement de prototypes alimentés par une pile à combustible, et dans certaines régions du monde des transports en commun utilisent déjà cette technique. A plus long terme, une production décentralisée d électricité est envisageable, chaque particulier possédant une pile à combustible qui lui fournirait l électricité nécessaire. De nombreuses équipes de chercheurs travaillent sur un système de piles à combustible alimentées par des combustibles liquides (méthanol par exemple), ce qui a l avantage d une recharge aisée. Le marché de remplacement des batteries s ouvrirait donc, pour les GSM et autres agendas électroniques.. Figure 6 : Vue d'une pile mono-cellule testée au laboratoire 5