Généralité sur la technologies des piles à combustibles

Unité de Technologies et d’Economie des Energies Renouvelables
TEER

Il est reconnu que la production d’électricité ne se fait avec un bon rendement, que lorsqu’elle d’origine électromécanique ( hydraulique,.. , Eolienne, etc.). La production photovoltaïque d’électricité qui exploite le rayonnement solaire abondant reste toujours coûteux et avec un faible rendement, une solution pertinente mais limité. Actuellement, la pile à combustible est appelé à contribuer au changement de la situation.

Pour répondre à une demande en énergie propre et renouvelable, on peut envisager des centrales de grande puissance d’origine hydroélectrique ou éolienne, mais le problème de l’irrégularité de cette production et la difficulté de l’adapter à un systèmede Production et Consommation adéquate, nous inciteà réfléchirà un système de productionet stockage intelligent de l’énergieélectrique. Le butest de disposé d’un système fiable,durable, écologiqueet renouvelable. Bien sûr il y a plusieursprocédés destokage telque les réservoirs de d’eauou des accumulateurs ……etcqui remplissent leur tâche, la récupérationdes pertesthermique de conversion du cycle thermodynamique (Cycles combinés)est aussiutilisée, mais ces dispositifs ne répond passuffisammentàune demandebien diversifiée.

C’est en 1839que William Grove découvrait une toute nouvelle façon deconvertir l'énergie chimique en électricité, une méthode révolutionnaire permettant de produire de l'électricité à partir de l'hydrogène et de l'oxygène. Et c'estainsi qu'était lancée la recherche sur la pile à combustible.

Aujourd’Hui ces piles à combustible produisent par combinaison électrochimique du combustible l'hydrogène (ou un combustible riche en hydrogène) avec un oxydant, l'oxygène ou l'air dans une cellule électrochimique, de l'électricité à un rythme uniforme et efficace.Un moyen de production radicalement différent des systèmesconventionnels, sans passer par une conversion thermique du combustiblepuis mécanique et enfin électrique où le coefficientd´efficacité est très limitée par le facteurCarnot.

Plusieurs technologies des piles à combustible existent, ils peuvent être classés selon leur température de fonctionnement, allant de 80 °C à 1 000 °C, leur capacité de fonctionnement en cogénération, leur faible impact et selon la nature de l'électrolyte qui donneson nom à la pile :

Piles alcalin (AFC - Alkaline Fuel Cells)
Pliesà électrolyte polymère (PEMFC - Proton Exchanger MembraneFuel Cells)
Pilesà acide phosphorique (PAFC - Phosphoric acid Fuel Cells)
Pilesà carbonate fondu (MCFC - Molten Carbonate Fuel Cells )
Pilesà électrolyte solide oxyde (SOFC - Solid Oxide Fuel Cells).

La production de l’électricité par les piles à combustible a desavantages car :

Les piles sont connues par leur haut rendement global de production directe, ces rendements peuvent varier de 40 à 60% suivant les différents types et  une  duréede vie de la pile, supérieure 25 000 heures avec un coût demaintenance raisonnable.

Elles utilisent une grande variété decombustible ( fioul, gaz naturel,. Hydrogène ), et elles peuvent fonctionne à des températuresvariées selon les types et avec des combustibles comme l’hydrogèneobtenu à partir de sources d'énergie renouvelables, sansgénérer les émissions polluantes. et elles ont lacapacité de réformation interne du combustible gaz àpartir des hydrocarbures.

La cogénérationde chaleur et d'électricité est un atout très souvent envisagé (à des températures différentes selon les filières) avec une installation deladistribution de chaleur, le rendement total en cogénérationpeut atteindre jusqu’à85%, exemple des piles à hautetempérature.

Elles sont modulairescar leurs capacités peuvent être facilement modifiéesde quelques kW jusqu’à des MW, elles présentent une grandeflexibilité dans leur utilisation que ce soit dans des lieux isolésdu réseau électrique ou même dans des machines mobilestelles que les bus, les avions.

Les piles à combustible ont des caractéristiques de compatibilité environnementale ,car elles ont un très faibles rejets toxiques du type CO, Nox ouSOx, et elles sont peu bruyantes, d'où elles ne posent pas de problème une fois installées près des lieux de consommation.

Cependanttrois technologies sont prometteuses :

lespiles à membrane échangeuse de protons (PEM)fonctionnant à 80°C,
les pilesà acide phosphorique (PAFC) fonctionnant à 200 °C,
les pilesà oxydes solides (SOFC) fonctionnant à 1 000 °C.

La première, La pile à (MEP) est considérée par plusieurs experts comme la meilleure pour les applications qui exigent une forte puissance volumique et une grandeportabilité.
Les pilesde type (MEP) se composent de deux électrodes une anode et une cathode séparées par une membrane de polymère. Chaque électrode est enduite sur un côté d'un électrocatalyseur. L'hydrogène (le combustible) est introduit sur l'anode poreuse et, sous l'influencede l'électro-catalyseur, se dissocie pour former des électrons libres et des ions d'hydrogène chargés positivement (protons). Les électrons, de charge négative, sont attirés vers la cathode chargée positivement. En cours de route, cependant, onfait dévier la trajectoire des électrons et on les fait passerpar un circuit externe relié à l'appareil électrique.Entre-temps, les protons traversent la membrane de polymère et sedirigent toutdroit vers la cathode, où ils se combinent àl'oxygèneet aux électrons en provenance du circuit externequi ont perdu unepartiede leur énergie. On obtient ainsi de l'électricitéet,en prime, un sous-produit remarquable : de l'eau pure.

La seconde, les piles à acide phosphorique (PAFC) est à un stade de développement pré commercial et produit de l'électricité avec unrendement de 40 % à partir de gaz naturel, et un rendement totalde 85 % en cogénération (électricité – chaleur).

La troisième,       les piles  à  combustibles  à  électrolyte  solide sontpotentiellementles plus intéressantes par son rendement électrique (50 %à 70 %) et par sa moindre sensibilité au type de combustible, ce type des piles fonctionnant à haute température sont connues sous le nom : SOFC ( Solide Oxyde Fuel Cell), l’utilisation des céramiques comme électrolyte limite les problèmes de corrosion des matériels posés par les autres types des piles et le fonctionnement à haute température de 600 à 1000°C  permet d’une part une réaction cinétique rapide, réformation desgaz combustibles et une production de chaleur souhaitable pour une cogénération avec laquelle la rentabilité de la pile est maximale, mais ellenécessite encore quelques efforts de recherche - développement.et d’autre part exige l’utilisation des matériaux spécifiques.Ce dernier souhait fait l’objet de notre projet de recherche présenté.