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2.1 Combustibles
Types de combustibles
Dihydrogène
Le dihydrogène (H2) est un élément essentiel dans une pile à combustible pour la production d\'énergie. Il se combine à l\'oxygène pour produire de l\'eau. L\'énergie chimique qui en résulte est convertie en énergie électrique grâce à un processus électrochimique. On ne peut utiliser le dihydrogène que sous sa forme pure, mais, comme cette forme n'existe que très rarement, il faut l\'extraire d\'autres sources de combustibles comme le gaz naturel, le méthanol, les produits pétroliers et d'autres.
Eau
L\'eau (H2O) est un combustible qui abonde sur notre planète. Elle renferme des atomes d\'hydrogène (H) et d\'oxygène (O) que l\'on peut séparer avec les procédés appropriés.
Gaz naturel
Le gaz naturel est un mélange d\'hydrocarbures, surtout du méthane (CH4). Il est recueilli dans des poches sous la croûte terrestre et il est purifié avant d\'être stocké dans des contenants sous la forme de gaz comprimé (GNC) ou de liquide (GNL), pour être ensuite utilisé pour le transport (véhicules au gaz naturel ou VGN) ou pour la production d\'énergie ou de chaleur. Ce combustible est non corrosif et il produit une quantité relativement faible de dioxyde de carbone (un gaz à effet de serre) lorsqu\'il est brûlé. Non brûlé, le gaz naturel a une action de gaz à effet de serre 21 fois plus élevée que le dioxyde de carbone.
Méthanol
Le méthanol est un alcool (CH3OH) qui peut être produit par le reformage du gaz naturel ou par la digestion du charbon ou de la biomasse (alcool de bois). Il peut être directement utilisé comme combustible dans une pile à méthanol à combustion direct (DMFC) ou comme source d\'hydrogène lorsqu\'il est traité (pile à méthanol à combustion indirecte ou IMFC).
Produits pétroliers
L'essence, le diesel et le propane sont extraits du pétrole brut et peuvent être traités pour produire de l\'hydrogène. La production d\'hydrogène fait présentement partie des activités régulières des raffineries.
Autres combustibles
L\'éthanol provient de la fermentation de la biomasse et il peut être traité pour produire de l\'hydrogène. On entrevoit aussi la possibilité d\'utiliser la biomasse pour la production directe d\'hydrogène. L\'ammoniac et le charbon sont aussi des sources d\'hydrogène. Quasiment tout combustible riche en hydrogène peut être employer.
Préparation
Si le combustible utilisé n\'est pas du dihydrogène, il faut le traiter pour y extraire le dihydrogène. Il existe de nombreux procédés d\'extraction du dihydrogène : gaz de synthèse, électrolyse, oxydation partielle, reformage adiabatique, gazéification et craquage de l\'ammoniac.
1) Extraction d'un gaz de synthèse
Le dihydrogène peut être extrait d'un gaz de synthèse, qui est un mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène. Ce gaz est obtenu soit à partir du charbon, soit du gaz naturel, soit du pétrole. L'extraction à partir du gaz naturel est la plus efficace, la réaction est:
CH4 + H2O CO + 3H2
Le monoxyde de carbone est alors réemployé et agité avec de l'eau, une deuxième réaction a lieu:
CO + H2O CO2 + H2
On constate donc que d'une mole de méthane, on peut extraire 4 moles de dihydrogène.
2) Électrolyse
L\'électrolyse est un procédé électrochimique au cours duquel une tension est appliquée à une pile pour décomposer un milieu réactif. C\'est le cas avec l\'eau où, dans des conditions appropriées, les molécules se séparent en leurs composants de base, le dihydrogène et le dioxygène:
2H2O 2H2 + O2
Pour se produire, cette réaction a besoin d\'électricité. L\'électricité peut être produite par de l\'énergie solaire ou de l\'énergie éolienne, un procédé beaucoup plus écologique. L\'électrolyse de l\'eau peut être une source durable de production d\'hydrogène selon la source d\'électricité.
3) Oxydation partielle
Cette réaction peut être considérée comme une réaction de combustion incomplète. Le composé contenant de l\'hydrogène réagit avec une quantité sous-stoechiométrique d\'oxygène pour produire un mélange de dihydrogène et de monoxyde de carbone. La formule générale de l\'oxydation partielle est:
CnHm + (n/2)O2 nCO + (m/2)H2
Cette réaction est habituellement exothermique, elle est donc accompagnée d\'un dégagement de chaleur.
4) Reformage adiabatique
Le reformage adiabatique combine des réactions de reformage de la chaleur, endothermique, et d\'oxydation partielle, exothermique. La chaleur produite par la réaction d\'oxydation partielle est utilisée dans la réaction de reformage de la chaleur pour produire du dihydrogène et du monoxyde de carbone. Les réactions s\'équilibrent d\'une telle manière que l\'énergie requise est nulle.
5) Gazéification
La gazéification est la production du dihydrogène à partir du carbone à l\'aide de deux réactions.
réaction 1: C + H2O CO + H2
réaction 2, une réaction catalytique: CO + H2O CO2 + H2
Globalement la réaction revient à: C + 2H2O CO2 + 2H2
Ce processus peut s\'appliquer à d\'autres substances que le carbone, comme la biomasse ou d\'autre hydrocarbures complexes.
7) Craquage de l\'ammoniac
L\'ammoniac est aussi considéré comme une source d\'hydrogène car il peut être craqué à des températures élevées (ex. 400°C):
2NH3 N2 + 3H2
Il existe encore d'autres méthodes telles que l'utilisation d'algues et d'enzymes produisant de l'hydrogène ou de l'énergie solaire ou éolienne pour électrolyser l'eau. Cette dernière méthode est totalement propre, dans la mesure où elle ne génère pas d'émissions nocives.
Stockage du dihydrogène
S\'il n\'est pas utilisé immédiatement, le dihydrogène peut être stocké. Le stockage du dihydrogène est un domaine où il s\'effectue beaucoup de recherche. Il y a cinq possibilités de stockage dignes d\'intérêt : gaz comprimé, hydrogène liquide, hydrures chimiques, hydrures métalliques et nanotubes de carbone.
1)Dihydrogène comprimé
Le dihydrogène peut être stocké dans des contenants sous pression. L\'utilisation de contenants légers dans des applications mobiles est en voie de développement. Des activités de recherche et développement sont actuellement en cours pour essayer d\'atteindre ce but. Le progrès technique va bon train et on espère, pour le moment, atteindre 10 % du poids d\'hydrogène par unité de poids (7 % du poids est courant) en utilisant un matériau composite pour les contenants (fibre de charbon et toile d\'aluminium).
2)Dihydrogène liquide
Le stockage du dihydrogène sous forme liquide (LH2) présente un véritable intérêt pour les stations service - on aimerait pouvoir l\'utiliser directement comme combustible pour les véhicules. Le dihydrogène liquide possède l\'une des plus grandes capacités de stockage, avec 20 % du poids du dihydrogène par unité de poids. Sa facilité d\'évaporation pose toutefois des problèmes pour le stockage à long terme (environ 1 % du poids d\'hydrogène est perdu chaque jour). De plus, comme du dihydrogène doit être refroidi à 22 K (ou -252°C) pour exister à l\'état liquide, des questions de sécurité en retardent toujours l\'utilisation dans les stations service (ex. gelure).
3)Stockage du dihydrogène sous la forme d\'hydrures chimiques
On peut faire réagir du dihydrogène avec un métal terreux alcalin, un métal alcalin, ou un métal complexe pour son stockage (avec, en moyenne, une capacité de 7 % du poids d\'hydrogène par unité de poids). Ces réactions sont réversibles, selon les conditions dans lesquelles s\'effectue l\'expérience. Ces réactions sont endothermiques de gauche à droite, et fortement exothermiques de droite à gauche.
Réaction avec un métal terreux alcalin par le biais d\'une réaction endothermique (de gauche à droite). L\'hydrure de calcium (CaH2) réagit violemment avec l\'eau à une pression normale:
2H2 + Ca(OH)2 CaH2 + H2O
La réaction avec un métal alcalin est courante et coûte très peu cher:
H2 + NaOH NaH + H2O
Réaction avec un métal complexe aussi par le biais d\'une réaction endothermique (de gauche à droite). L\'hydrolyse du borohydrure de sodium (NaBH4) est aussi fortement exothermique:
4H2 + NaOH + H3BO3 NaBH4 + 4H2O
(20 % du poids d\'H2 a été obtenu avec le NaBH4 et l\'eau dans des quantités stoechiométriques.)
Ces réactions peuvent prendre place dans de petits contenants d\'où du dihydrogène peut être libéré par réaction avec l\'eau. La manipulation et le transport des contenants est sans danger mais ils sont encore chers. De plus, il y a présence de substances hautement corrosives (l\'hydroxyde de sodium (NaOH) entre autres). En outre, le dégagement de dihydrogène est parfois fortement exothermique. Il faut aussi gérer la chaleur dégagée avec le gaz.
D\'autres métaux, comme les hydrures d\'alanate (ex. NaAlH4) peuvent aussi être utilisés avec une capacité de 5,5 % par poids de dihydrogène (à des températures inférieures à 100°C).
4)Stockage du dihydrogène sous la forme d\'hydrures métalliques
Le dihydrogène peut réagir avec un alliage métallique tel que les alliages à base de titane, de fer, de manganèse, de nickel ou de chrome, entre autres. Cet alliage métallique M subit la réaction suivante:
M + H2 MH2
Remarque: Comme toute réaction rédox, cette réaction est réversible.
De gauche à droite, il y a application de pression au système, le dihydrogène se lie alors au métal par une réaction exothermique. Si la pression baisse ou que la température augmente, le dihydrogène est libéré et la réaction va de droite à gauche (réaction endothermique). Ces réactions prennent souvent place dans des contenants dont la manipulation et le transport sont sécuritaires avec une capacité de 7 % par poids d\'hydrogène. Les hydrures métalliques peuvent être sensibles aux impuretés contenues dans le dihydrogène.
5)Stockage du dihydrogène dans des nanotubes
On peut retrouver le carbone sous trois formes solides : graphite, diamant et fullerènes. Les fullerènes sont composés de nombreux atomes de carbone (60 atomes dans le cas des molécules plus courantes, mais il peut exister des molécules composées d\'un plus grand nombre d\'atomes) qui sont reliés pour créer une « balle de bucky » (balle de football) formée avec les faces de forme hexagonale du carbone (la sphère a besoin d\'une face en forme de pentagone pour compléter la balle). Au lieu de former des sphères, ces faces de forme hexagonale peuvent former des tubes, aussi appelés nanotubes, qui peuvent être utilisés pour stocker le dihydrogène. Le recours aux nanotubes pour le stockage du dihydrogène est toujours un domaine de recherche très actif, et il pourrait être bien en vue dans les années à venir. Jusqu\'à présent, on a rapporté qu\'il était possible de stocker jusqu\'à 68 g d\'hydrogène par 100 g de masse totale du contenant (capacité maximale dans les nanotubes en graphite (en forme d\'arête de poisson) et à 20°C). Les discussions scientifiques se poursuivent en vue de déterminer la capacité de stockage et pour comprendre le procédé à fond.
2.2 Utilisation de l'énergie produite
Le procédé électrochimique de la pile à combustible n\'est pas efficace à 100%. Une partie de l\'énergie est dégagée sous la forme de chaleur qui est transférée à l\'environnement. La gestion de l\'eau affecte aussi l\'efficacité d\'une pile à combustible. Ce problème fait l\'objet d\'études techniques en vue d\'accroître la quantité d\'électricité générée par l\'assemblage.
Utilisation de l'électricité
Le courant électrique produit par la pile à combustible est tout d'abord intensifié avant d'être réparti entre les différents composants du véhicule. En premier lieu, il fait marcher un moteur électrique qui entraîne à son tour les roues de la voiture. Une partie du courant est utilisée par l'appareillage électrique et le reste est emmagasiné dans la batterie pour une future utilisation.
Gestion de la chaleur
L\'énergie résiduelle libérée par la réaction électrochimique de la pile à combustible est contrôlée pour un rendement optimal et une efficacité accrue.
La chaleur excédentaire peut être utilisée pour fournir de l\'air chaud à l\'utilisateur. Elle peut même être utilisée dans des systèmes de conditionnement d\'air des voitures utilisant des refroidisseurs d\'absorption.
Gestion de l\'eau
La PEMFC est beaucoup plus sensible que les autres piles à combustible qui fonctionnent à des températures plus élevées (PAFC, MCFC (pile à carbonates fondus), SOFC (pile à oxydes solides)) parce que l\'eau y est présente sous la forme l\'un liquide au lieu d\'une vapeur. L\'eau produite par la pile à combustible peut être utilisée comme transporteur de chaleur sous la forme de liquide ou de vapeur.
Dans le cas de la PEMFC, il existe deux scénarios possibles :
L\'eau est tirée au travers de l\'électrolyte, de l\'anode à la cathode, et elle assèche complètement la membrane (souvent la quantité d\'eau perdue excède la qualité produite à la cathode). Ce phénomène s\'appelle le flux électro-osmotique. L\'humidification des gaz peut empêcher que ce phénomène ne se produise.
L\'eau est accumulée sur la cathode en raison du flux électro-osmotique et de la production d\'eau (voir les réactions chimiques). L\'électrode est inondée, et son efficacité chute. Le gaz réactant peut expulser la quantité d\'eau additionnelle si le taux du flux est augmenté. Il faut qu\'il y ait un équilibre pour empêcher l\'assèchement de la membrane (trop d\'eau a été expulsée) et l\'inondation de la cathode (pas suffisamment d\'eau a été enlevée).
L\'eau, sous forme de liquide ou de vapeur, est un sous-produit utile si elle est gérée adéquatement. Elle peut servir à humidifier les gaz, elle est un réactif dans certains processeurs de quantité de carburant et elle peut être utilisée dans les échangeurs de chaleur pour la gestion de la chaleur. Pendant les missions spatiales, les astronautes boivent l\'eau produite par les piles à combustible. L\'eau provenant d\'une pile à combustible est habituellement potable.
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