Le moteur à hydrogène - principe de la pile à combustible

1.1 Principe général / Historiquer />
On doit la découverte des piles à combustible à Sir William Grove en 1839. Ce savant britannique, reconnu comme "Père de la pile à combustible", utilisa le principe des réactions rédox entre le dihydrogène et le dioxygène pour produire de l'électricité. Il fut mené sur cette voie par ses expériences sur l'électrolyse de l'eau. Grove estima qu'il était peut-être possible d'inverser cette réaction. En effet, elle libère des électrons formant un courant électrique. Le principe de la pile à combustible était né.
Le terme "pile à combustible" a été utilisé pour la première fois en 1889 par Ludwig Mond et Charles Langer. Ils essayèrent de construire le premier dispositif utilisant de l'air et du gaz industriel. Le premier essai réussi d'une pile à combustible résulte des inventions de l'ingénieur Francis Bacon en 1932. Il améliora les catalyseurs à platine très coûteux employés par Mond et Langer. Vers la fin des années 50, la NASA commença à expérimenter la technologie des piles à combustible pour développer une source d'électricité pour les missions spatiales. L'utilisation des piles à combustible était moins risquée que l'énergie nucléaire et moins chère que l'énergie solaire. Cette technologie est aussi utilisée par la NASA pour fournir eau et courant à sa navette et un usage pour la station spatiale internationale (ISS) est en projet.



Fonctionnement

Au cours de l'électrolyse de l'eau, Grove observa qu'un atome d'oxygène d'une molécule d'eau cédait deux électrons pour que les deux atomes d'hydrogène de la molécule d'eau en captent chacun un. Pour que cette réaction puisse avoir lieu, il faut fournir de l'électricité. Les produits de cette réaction sont alors du dihydrogène et du dioxygène. Si on inverse cette réaction, on associe du dioxygène et du dihydrogène, les atomes du dihydrogène cèdent des électrons aux atomes du dioxygène et il y a formation d'eau et d'un courant électrique. Ce transfert d'électrons est propre aux réactions rédox, on pourra donc dresser les équations des couples suivantes:


2 H2  4 H+ + 4 e-
O2 + 4 e-  2 O2-

Remarque: ces deux réactions sont réversibles.

2 H2 + O2  4 H+ + 2 O2-  2 H2O

Si l'on ne laisse pas se dérouler les deux réactions de couples au même endroit, mais séparément, il doit y avoir un courant qui circule de l'une à l'autre, voici la pensée de Grove. Les protons circulent à travers l\'électrolyte pour se diriger vers la cathode alors que les électrons passent à travers un circuit électrique externe avant de se combiner de nouveau aux protons et à l\'oxygène pour former de l\'eau. En effet, si l'on réalise une telle synthèse de l'eau, on peut avoir un courant qui atteint jusqu'à 1,23 V. Si l'on met en parallèle plusieurs de ces piles à combustible, on peut obtenir des courants qui atteignent 12V et plus.

À l\'instar de toute pile électrochimique, ou batterie, la pile à combustible est composée de deux électrodes et d\'un électrolyte. Toutefois, contrairement à ce qui se passe pour les batteries, les électrodes ne sont pas « consommées » avec le temps et les produits ne sont pas stockés à l\'intérieur de la pile. Le combustible et l\'oxydant proviennent d\'une source externe et, tant et aussi longtemps qu\'ils sont fournis à la pile, l\'électricité continue de circuler. La pile à combustible est en quelque sorte un hybride entre une batterie (procédé électrochimique) et une génératrice (le combustible provient de l\'extérieur du système).


1.2 Différents types de piles à combustible

Il existe six types de piles à combustible, chacune étant caractérisée par son électrolyte et ses températures de fonctionnement.

La pile à membrane électrolyte polymérique (PEMFC)

La PEMFC, pour Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, a été mise au point pour les missions spatiales des années 60. Cette technologie a connu des progrès énormes dans les années 80, permettant d\'envisager le recours à la technologie des piles à combustible pour la généralisation des applications. La PEMFC fonctionne à une température de 80°C.
La PEMFC utilise comme électrolyte une membrane polymérique. Cette membrane est un isolant électronique mais un excellent conducteur d'ions hydrogène. Les matériaux utilisés actuellement consistent en une structure de fluorure de carbone polymérisé, similaire au Teflon, à laquelle sont attachés des groupes d'acides sulfuriques. Les molécules d'acide sont fixés au polymère et ne peuvent pas "s'échapper" mais les protons de ces groupes d'acides sont libres de migrer à travers la membrane.
La membrane polymérique peut être manipulée facilement et sûrement. L'anode et la cathode sont traitées en leur appliquant une petite quantité de platine sur l'une des surfaces d'une fine feuille de graphite poreux qui a été auparavant imperméabilisée au Teflon. L'électrolyte est ensuite mis entre l'anode et la cathode et les trois composants sont assemblés sous chaleur et pression pour produire un assemblage membrane-électrodes. Cet assemblage, le coeur de la pile à combustible, est épais de moins d'un millimètre.
L'anode et la cathode sont en contact par leur face arrière par des plaques de graphite dans lesquelles des canaux ont été creusés. Les arêtes entre les canaux rendent possible le contact électrique avec l'arrière des électrodes et conduisent le courant au circuit extérieur. Les canaux fournissent le combustible à l'anode et l'oxydant à la cathode.
Les réactions entre les électrodes dans la PEMFC sont analogues à celles qui se produisent dans la PAFC (Pile à acide phosphorique). L'hydrogène provenant du combustible est consommé à l'anode envoyant des électrons à la cathode et produisant des ions hydrogène qui pénètrent dans l'électrolyte. A la cathode l'oxygène est combiné aux électrons de la cathode et aux ions hydrogène de l'électrolyte pour produire de l'eau. L'eau ne se dissout pas dans l'électrolyte et est rejetée de l'arrière de la cathode dans le courant de l'oxydant. Comme la PEMFC travaille à des températures d'environ 80°C, l'eau est produite à l'état liquide et est acheminée hors de la pile par l'oxydant en excès.
La PEMFC est la plus adaptée à une installation sur des véhicules, entre autres grâce à sa faible température de fonctionnement. Elle équipe actuellement de nombreuses voitures.


Autres types de piles

1) La PAFC (pile à acide phosphorique, de l'anglais Phosphoric Acid Fuel Cell): Les réactions, qui se produisent à un catalyseur de platine, sont les mêmes que dans le cas de la pile PEMFC, avec des températures de fonctionnement variant de 150 à 220°C.
Les composants de ces deux dernières piles à combustible (PAFC et PEMFC) sont très semblables, sauf pour ce qui est de l\'électrolyte. Dans le cas de la PAFC, l\'électrolyte est de l\'acide phosphorique (aussi un électrolyte conducteur de protons), un liquide, alors qu\'il s\'agit d\'un polymère solide dans le cas de la PEMFC. Les deux types de pile utilisent des électrodes de carbone qui permettent la diffusion des gaz, comme dans le cas des PEMFC. Les plaques bipolaires sont deux plaques poreuses séparées par une mince feuille de graphite pour former un substrat côtelé dans lequel l\'électrolyte peut être stocké. On procède présentement à l\'essai d\'autres catalyseurs pour ce type de pile à combustible : fer-cobalt, titane, chrome, zirconium pour n\'en mentionner que quelques-uns.

2) L'AFC (pile alcaline, de l'anglais Alkaline Fuel Cell):
Utilisée depuis les années 40, cette pile se trouvait à bord du premier vaisseau spatial habité. Les réactions se produisent à l\'anode et à la cathode à des températures de fonctionnement variant de 120 à 250°C.
Dans ce cas, l\'électrolyte (en général, KOH ou NaOH) est un électrolyte conducteur d\'hydroxyde (OH-). L\'électrolyte peut réagir avec le dioxyde de carbone pour former un composé de carbonate, ce qui réduit énormément le rendement de la pile à combustible. Les électrolytes sont habituellement une combinaison de nickel et d\'un métal inactif, comme l\'aluminium, permettant ainsi de réduire le coût global du système. Le magnésium métallique ou des composés de graphite sont utilisés pour les plaques bipolaires, des connecteurs qui permettent de construire un assemblage (ou stack) en reliant plusieurs piles en série.

3) La DMFC (pile à méthanol direct, de l'anglais Direct Methanol Fuel Cell):
Il ne faut pas confondre cette pile à combustible avec celle qui utilise du méthanol (ou éthanol) comme source d\'hydrogène par le reformage externe (la pile à méthanol indirect). Dans le cas de la DMFC, le méthanol est directement en contact avec l\'anode, à laquelle les réactions se produisent à des températures de fonctionnement ne dépassant jamais 80°C.
Chez une DMFC, ce sont les protons qui se déplacent de l\'anode à la cathode, et non les molécules de méthanol. Tout comme c\'est le cas chez la PEMFC, cette pile à combustible utilise présentement un électrolyte polymérique échangeur d\'ions. Les plaques bipolaires sont faites de graphite, de métal ou de matériaux composites. Le catalyseur à l\'anode est composé d\'un mélange de ruthénium et de platine pour empêcher l\'empoisonnement par le monoxyde de carbone, qui est l\'intermédiaire dans la réaction. Les chercheurs, partout dans le monde, s\'attaquent aux problèmes associés au passage du méthanol à travers l\'électrolyte, diminuant ainsi l\'efficacité des DMFC.

4) La MCFC (pile à carbonates fondus, de l'anglais Molten Carbonate Fuel Cell):
Les températures de fonctionnement varient de 600°C à 700°C.
Dans ce cas, l\'électrolyte est fait d\'un mélange de carbonates de métaux alcalins (carbonates de lithium, de potassium et de sodium) retenus par une matrice céramique d\'oxyde d\'aluminium et de lithium (LiAlO2). Les plaques bipolaires sont faites d\'acier inoxydable recouvert de nickel du côté de l\'anode. Le choix des matériaux est extrêmement important, en raison de la nature hautement corrosive de l\'électrolyte.

5) La SOFC (piles à oxydes solides, de l'anglais Solid Oxide Fuel Cell):
Les températures de fonctionnement varient de 650°C à 1000°C.
Ce système est muni d\'un réformeur interne intégré et utilise aussi le monoxyde de carbone comme combustible. Une des particularités de la SOFC est son électrolyte à l\'état solide (d\'autres piles à combustible peuvent aussi avoir des électrolytes à l\'état solide, ex., la PEMFC), habituellement du zirconium (Zr2) dopé d\'une mole de 8 à 10% d\'ytterbium (Y3+), lequel joue le rôle de conducteur pour l\'union de l\'oxygène (O2-). Les SOFC peuvent être de conceptions planes, monolithiques et tubulaires, et utiliser de l\'acier inoxydable, de l\'acier austénitique, des matériaux céramiques (ex. chromite de lanthane) selon les températures de fonctionnement et l\'électrolyte désirés.