Utilisateur:Nécropotame/PAC

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Sommaire

1 Définition & Principe
2 Application
3 Application : FCX Concept de Honda
4 Bazard
5 Post-it
6 Lien

[modifier] Définition & Principe

1-Plaque bipolaire
2-Plaque de difusion
3-Catalyseur
4-Electrolyte

[modifier] Définition d'une PaC (Pile à Combustible)

Le principe même d'une pile est basé sur des réactions électrochimiques : En effet, Elle permet de produire un courant électrique grâce à une réaction chimique induisant un échange d'électron par l'oxydation d'un combustible réducteur sur une électrode couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine.

Ce type de pile, est dit "à Combustible" car elle fonctionne sur le principe d'approvisionnement continu d'atomes nécessaires à cet échange.

[modifier] Principe développé de la PACH₂ (Pile à Combustible à Hydrogene)

[modifier] L'électrolyse

Principe de l'électrolyse

Principe de la PaC

L'électrolyse est un système bien connu de la science puisqu'elle est même inscrit dans le programme scolaire des lycéens. Elle consiste à imposer un courant électrique à de l'eau ionisé (l'électrolyte) grâce à deux électrodes reliées à un générateur. L'expérience doit conclure sur l'observation de dihydrogène émanant de la cathode et de dioxygène émanant de l'anode.
La réaction se résume par cette équation :

$2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2$

L'idée de la PaC est d'inverser ce principe. Si l'on applique sur deux électrodes du dihydrogéne et du dioxygéne, un courant électrique devrait se produire entre ces électrodes.
Le principe se résumerait donc à cette équations:

$2\times [H_2 + 2H_2O \rightarrow 2H_3O^+ + 2e^-]$

$O_2 + 2H_3O^+ + 2e^- \rightarrow 4H_2O$

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Cependant, plusieurs problèmes techniques ont longtemps empêché la construction de telles piles.

[modifier] Le catalyseur

Un des principaux problèmes vient du dihydrogéne. Il ne réagit que très peu (voir aucunement) en basse température avec les autres éléments chimiques, et une température élevé imposerait des contraintes de matériaux trop complexe. En effet, la réaction entre le dihydrogéne et le dioxygéne est lente et ne suffit donc pas à la création d'un courant électrique. C'est pour cela qu'un catalyseur est nécessaire au bon fonctionnement de la PaC.
Un catalyseur est une espèce chimique qui favorise une réaction sans y participer. C'est pour cela qu'il n'est pas inscrit dans les équations bilan. Il existe plusieur etape dans l'intervention du catalyseur dans la catalyse :

L'adsorption : Les atomes du réactif vont venir se déposer sur la surface du catalyseur sans forcement interagir avec lui. Dans les demi equations de la catalyse, on note le produit de cette adsorption sous cette forme : $C + R \rightarrow A_{ad}$ où C est le catalyseur, R le réactif et A le resultat de la réaction.

Mécanisme de type Eley - Rideal : Les atomes du réactif précédemment adsorber vont interagir avec les atomes d'un autre réactif non adsorber pour former une nouvelle espèce chimique.
Désorption : L'étape précédente implique théoriquement une désorption, c'est à dire que les réactifs adsorbés vont quittés la surface du catalyseur. On note les deux réaction précèdentes comme cela : $A_{ad} + R \rightarrow C + P$ , où C est le catalyseur, R un nouveau réactif, P le produit de la réaction et A le résultat de l'adsorption.
Il existe d'autres formes d'interaction entre le catalyseur et les réactif, mais nous ne les aborderons pas dans ce dossier.

Dans le cas de la pile à combustible, c'est le Platine (Pt) qui sert généralement de catalyseur, même si quelques essais au Paladium (Pl) se sont avérés concluant.
On appelle triple-contact la zone ou le réactif sortant de la zone de difusion entre en contact avec le catalyseur et l'electrolyte. C'est dans ces conditions que la catalyse peut avoir lieu (voir shemas).
La catalyse sert à deux réactions dans la pile à combustible : celle de la disolution des atomes d'hydrogène, et celle de la formation d'eau. Demonstration :

Réaction type d'une catalyse	Décomposition de l'H₂	Formation de l'H₂O
$C + R_1 \rightarrow A_{ad}$	$2Pt + H_2 \rightarrow 2PtH_{ad}$	$Pt + O_2 \rightarrow PtO_{2_{ad}}$
$A_{ad} + R_2 \rightarrow P + C$	$2\times [PtH_{ad} + H_2O \rightarrow Pt + H_3O^+ + e^-]$	$PtO_{2_{ad}} + 4H^+ + 4e^- \rightarrow Pt + 2H_2O$
$R_1 + R_2 \rightarrow C + P$	$H_2 + 2H_2O \rightarrow 2H_3O^+ + 2e^-$	$O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$

Le poison

[modifier] La plaque bipolaire et la couche de diffusion (ou Backing)

Un autre problème, cette fois plus technique, est celui de l'acheminement des gaz jusqu'au électrodes. En effet, il est important d'emetre une même quantités de gaz sur toute la surface de l'électrode afin d'augmenter l'efficacitée de la pile (dont le rendement depent de la surface de la réaction sur les électrodes).
Pour resourdre ce problème, on a couplé une plaque bipolaire avec une plaque de diffusion.

La plaque bipolaire va servir à distribuer les gaz vers la plaques de diffusion grace à des micro-cannaux. Des petit flux de gaz regulier arive alors sur le "backing".
La couche de diffusion entre alors en jeu. De composition poreuse, elle va disperser chaque flux de gaz sur l'électrode.

[modifier] L'électrolyte

Afin que la réaction s'effectue corectement, il faut permettre aux protons (H⁺) de circuler d'une électrode à l'autre. C'est le rôle de l'électrolyte. Celle-ci doit pour cela avoir une forte conductivité protonique.
La conductivité protonique est la grandeur caractérisant l'aptitude pour un matériau de permettre le passage de proton. De plus, elle empeche les électrons de circuler en son sein. Cette condictivité depend de la temperature, des elements en presence et de leur concentration.
Dans le cas des piles à combustible, l'électrolyte est constitué d'eau (qui facilite grandement le passage de proton) et d'ions négatif (qui atire les protons, chargé positivement, et eloigne les électrons, chargé négativement). Le proton va donc voyagé d'ion en ion de l'anode vers la cathode en suivant cette equation :

$H^+ + H_2O \leftrightarrow H_3O^+$

L'electrolyte peut être solide ou liquide, circulante ou maintenue et sa composition varie d'une pile à l'autre (voir "Types de pile à combustible" plus bas)

[modifier] Type de PaC

Si le concept reste le même d'une pile à combustible à une autre, il existe tout de même des differences dans leur fonctionement, généralement dues à la composition de l'electrolyte.

[modifier] AFC (Alkaline Fuel Cell ou Pile à combustible Alkaline)

Cette pile possède une electrolyte contenant de la potasse (K⁺ + OH^-). La potasse peut être intégrée de deux manieres dans la pile : Soit avec une electrolyte liquide circulant dans la pile, soit avec une membrane impregnée.
Le principal defaut de ce type de pile est sa réactivité avec le dioxyde de carbone CO₂. En effet, si celui-ci est présent dans la réation, il peut se former un composé de carbonate.
Réaction avec le dioxyde de carbone : $CO_2 + OH^- \rightarrow CO_3^{2-} + H_2O$

[modifier] PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell ou Pile à combustible à acide phosphorique)

Le principe de cette pile equivaut à celui de l'AFC. La seule difference reside dans la composition de l'electrolyte. La potasse est remplacer par de l'acide phosphorique (PO₄H₃) ce qui empeche la réaction avec le CO₂, point faible de l'AFC

[modifier] PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell ou Pile à combustible à membrane d'échange protonique)

La pile PEMFC possède une electrolyte bien particulière. Constituée d'une membrane solide en polymère d'une épaisseur de 50 à 200µm, elle contient des acides sulfonates SO₃^-. La membrane doit être saturé d'eau afin de permettre le deplacement des protons mais doit aussi pouvoir evacuer l'eau resultante de la réaction. Cet équilibre est une des difficultées de ce type de pile.
Plusieurs materiaux sont utilisés pour cette membrane. Le Nafion à longtemps été utilisé pour ces membrane. En voici la structure :

Comme on peut le voir, le Nafion est constitué d'une structure en carbone avec à l'extremité de celle-ci des bases d'acides sulfonates.

[modifier] DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

La DMFC se distingue des autres piles par ses combustibles. Au lieu des habituels H₂ et O₂, la DMFC doit être alimentée en méthanol et en O₂. Ce changement implique une modification de structure, notamment au niveau de la membrane qui doit être hermétique au méthanol. Ce changement de combustible aboutie aussi à un changement d'émission. En effet, le DMFC produit, en plus de l'habituel H₂O, du CO₂. La réaction chimique est la suivante :

$4\times [CH_3OH + H_2O \rightarrow 6H^+ + 6e^- + CO_2]$

$6\times [4H^+ + 4e^- + O_2 \rightarrow 2H_2O]$

$4CH_3OH + 6O_2 \rightarrow 8H_2O + 4CO_2$

L'avantage de la DMFC est que le combustible n'est plus le hydrogène, très dangereux et nécessitant de nouvelles infrastructures de stockages et de distributions; mais le méthanol, qui est un produit pétrolier normal.
Mais l'inconveniant évidant de cette pile provient de son émission de gaz à effet de serre. De plus, sa température de fonctionnement n'est que de 60 à 70°C, limite au delà du quel le méthanol commence a entré en ébullition. Cette baisse de régime entraîne un faible rendement.

[modifier] Production de H₂ et Stockage

[modifier] Production de H₂

Actuellement, la majorité de l'hydrogène est produit à partir de gaz naturel. Ce processus de fabrication n'est néanmoins pas tenable à long terme en raison des réserves limitées de gaz naturel et du problème non résolu d'émission de CO2. En dépit du principe même de la PaC au niveau écologique. D'autres méthodes existes pour produire de l'hydrogène; En effet, plusieurs possibilités furent étudiées :

L'électrolyse de l'eau

Pour cela, l'électricité utilisée pourrait venir des énergies renouvelables (éoliennes, hydraulique). On parle souvent d'électrolyse de l'eau comme un moyen de production d'hydrogène à long terme; cette ressource étant à priori illimitée et cette technique ne produit pas de gaz à effet de serre. Cela permettrait de stocker l'électricité sous forme chimique et de réutiliser plus tard l'hydrogène. Cette technique est déjà utilisée mais ne représente qu'une partie infime de la production actuelle. La réaction électrolytique fonctionne à l'opposé de celle d'une pile. Il faut de l'eau très pure (déionisée) pour éviter que les impuretés perturbent le fonctionnement de l'électrolyse. La cellule d’électrolyse est constituée de deux électrodes (cathode et anode), d'un électrolyte et un générateur de courant. L’électrolyte peut être une solution alcaline; une membrane polymère échangeuse de protons pour une électrolyse basse température ou une membrane céramique conductrice d’ions oxygène pour une électrolyse haute température.

Les Biomasses

Le terme de biomasse regroupe l'ensemble des énergies provenant de la dégradation de la matière organique. Dans le cas de la gazéification de la biomasse, on va d'abord faire sécher la biomasse, puis la thermolyser à 600°C. On la fait réagir à environ 1000°C avec de l'air ou de l'eau (reformage), enfin on élimine les impuretés. De là, on obtient un gaz riche en H2 et CO, que l'on peut utiliser directement pour produire de l'électricité, purifier pour en extraire le dihydrogene, ou le transformer en méthanol.

Les Algues Vertes

En effet, les algues sont des organismes autotrophes; c'est à dire qu'ils produisent leur propre matière organique à partir de sels minéraux puisés dans le sol et d'énergie solaire grâce à la fonction chlorophyllienne : c'est le mécanisme de photosynthèse. Au cour de cette photosynthèse, les plantes vertes dissocient l'eau en hydrogène et oxygène.

Le Nucléaire

Notamment gràace à des réacteurs de 4ème génération censés être prêts en 2030 - 2040. Cette forme de production n'est pas encore totalement définie.

[modifier] Stockage de H₂

Il existe de multiples modes de stockage de l'hydrogène. Si les deux premiers modes présentés sont actuellement les plus utilisés, ils sont loin de satisfaire par leurs performances; aussi les autres modes sont également étudiés. Les différents modes de stockage sont les suivants :

Stockage par compression

La Compression de H₂ nécessite de l'énergie, mais ce principe permet de stocker du H₂ dans des bouteilles de 10 L jusqu'à des réservoirs de 10.000 m3.

Stockage par liquéfaction

C'est le processus de la cryogénie, permettant de rendre liquide le H₂ à des températures très basse. Avec cette méthode, l'hydrogène doit être stockée sous forme liquide à –253°C.

Stockage par "NaBH₄ : Hydrogen on demand™"

Basé sur la réaction entre le borhydrure de sodium NaBH₄ et l'eau H₂O donnant de l'hydrogène (et du borate de sodium NaBO₂), cette réaction nécessite la présence d'un catalyseur. Quand on à besoin d'hydrogène, on pompe la solution pour qu'elle entre en contact avec la catalyseur.

Stockage par Hydrures Métalliques

Certains éléments ont la propriété de former des liaisons (covalentes ou ioniques) avec du H₂, permettant ainsi le stockage, puisque le phénomène est réversible. Certains métaux ou alliages peuvent stocker des atomes d'hydrogène entre leurs propres atomes et créer des liaisons chimiques. Il s'agit par exemple du Palladium (Pd), du Magnésium (Mg), de ZrMn₂, Mg₂Ni ou d'alliages Mg-Mg₂Ni.

Stockage par Charbon Actif, Nanofibres et Nanotubes en Carbone

Le stockage de l'hydrogène dans du charbon actif se fait par adsorption : c'est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants(ne pas confondre avec absorbants) selon divers processus plus ou moins intenses. Les Nanofibres et Nanotubes en Carbone fonctionnent sur le même principe, L'efficacité est par contre supérieure.

[modifier] Avantage & Inconvénients

[modifier] Avantages

La Pile à combustible a été conçue dans le but de créer un nouveau type d'énergie renouvelable. Elle possède donc un avantage certain au niveau écologique :

La Pile à combustible, dont la consommation se limite à l'hydrogène (disponible grâce à l'électrolyse qui met en jeu de l'eau et de l'O²) et dont les rejets ne se composent majoritairement que d'eau (95-99% de rejet de CO₂ en moins par rapport aux moteurs thermiques par exemple); assure l'amélioration de la qualité de l'air et donc la diminution des problèmes respiratoires, participe à la réduction de l'effet de serre et donc à la préservation de la couche d'ozone.

De plus ces ressources, disponibles en énormes quantités sur terre, peuvent être considérés comme quasi-inépuisables.

Cette unique consommation de O₂ et d'eau, en plus d’avoir des atouts écologiques connus, elle dispose d'un rendement énergétique important. En effet le rendement de cette conversion est de l'ordre de 50/80% selon les différents types de piles; Ce qui est plutôt élevé en rapport aux productions thermiques ou hydroélectriques qui demande de grands complexes pour atteindre un tel rendement, avec une structure comparable a une PaC, l'efficacité de ces systemes atteindrait les 33% (Un tiers de l'énergie). De plus, les réactions sont chimiques et donc elles s'organisent à échelles microscopiques et en vain elles ne nécessitent donc pas forcément d'installations de tailles importantes, et peut donc aussi bien convenir aux appareils miniaturisés qu'aux grand ensembles de production.

La Pile à combustible produit non seulement de l'électricité mais aussi de la chaleur pouvant servir à des fin de chauffage par voies hydrauliques, optimisant ainsi l'économie d'énergie et la limitation de produits fossiles, polluant et potentiellement épuisable tel que le Fuel (Pétrole), Charbon et Gaz Naturel. De plus, ces sources d'énergies fossiles (notamment le pétrole) n'étant présentes que dans un nombre restreint de pays, une source énergétique comme la pile à combustible pourrait permettre aux autres etats d'accéder à l'indépendance énergétique.

La Pile à Combustible est de base constituée seulement de réactions électrochimiques, donc l'absence de rotation et autres mouvements dues à l'absences de pièces lui permettent de ne produire aucunes nuisances sonores.

[modifier] Inconvénients

La pile à Combustible nécessite du dihydrogène pour fonctionner et ce combustible pose de nombreux problèmes : notamment de sécurité, puisque le dihydrogène est hautement inflammable et présente un risque élevé d'explosion et la Pile a Combustible en stocke en quantités plus ou moins importantes.

Le problème majeur des piles à combustibles : leur coût démesuré. En effet, on estime qu'il devrait être divisé par 50 pour que ces piles puissent être compétitives sur le marché puisqu'il coûterait actuellement autour de 5000 euros pour équiper une voiture. Ce prix exorbitant est du au prix élevé des matériaux utilisés pour sa construction ; notamment le platine, utilisé comme catalyseur sur la plupart des piles à combustible (14 euros/gramme de platine).

Un autre problème majeur : La durée de vie. Aujourd'hui, elle n'est que de quelques milliers d'heures. Pour être intéressantes, les piles doivent atteindre une durée de vie de 2 à 5 ans. De plus le prix des maintenances dues aux pannes est inconnue puis on ne sais pas si des probables changements de pièces sont possibles ou s'il faudrat forcément remplacer la pile.

Le Poids et le Volume élevé du stockage d'hydrogene devra être revu a la baisse afin d'être adapté aux véhicules légers.

[modifier] Application

Les applications de la pile à combustible sont nombreuses et variées. On peut facilement trouvé de tel système dans chaque secteur énergétique existant. Il existe 3 formes de piles : Les piles Stationnaires, Embarqués et les Micro Piles.

[modifier] Piles Stationnaires

Les piles stationnaires sont maintenues dans un lieu fixe afin d'être utilisé à la manière d'une centrale électrique décentralisé. L'avantage de la PaC décentralisée vient du fait qu'elle réduise les dangers liée au stockage du dihydrogene contrairement aux piles embarquées pouvant subir ldes altercation avec l'environnement.

Dans le cadre d'une utilisation domestique, la cogénération permettrait d'alimenter les systèmes électriques des habitations mais aussi leurs systèmes de chauffages (il suffit pour cela d'utiliser l'eau chaude chauffer par la pile à combustible et de la faire passer dans les conduits de chauffage). On privilégiera l'emploi de PEMFC ou de PAFC qui ont les températures d'utilisation les plus adaptées (entre 60°C et 100°C pour une PEMFC et entre 180°C et 220°C pour une PAFC). Dans le cadre de l'alimentation électrique de certains petits villages ou locaux plutôt isolés, elle permettrait de diminuer notablement les coûts de maintenance du réseau et donc aussi d'éviter la dépendance de la centralisation en cas de panne due aux potentiels problèmes climatiques par exemple. Pour cet usage particulier, on pense surtout aux piles de type MCFC. Dans le cadre d'une alimentation électrique de petites ou moyennes entreprises,les MCFC ou les SOFC qui ont des températures d'utilisation élevées et donc plus adaptées à un usage industriel pour l'utilisation de machines (entre 600 et 660°C pour une MCFC et entre 700°C et 1000°C pour une SOFC).

Fabricants (type) :

Nexa power module (Pile 1,2 kW)
Axane (Pile 2kW)
HELPS (Pile 5 kW)
Hélion Syspac (Pile 20kW)

[modifier] Piles Embarquées (Installations Mobiles)

Les piles à combustibles embarquées sont pour le moment destinées à équiper différentes sortent de véhicules ; dans un premier temps aux véhicules routier afin de contrer la crise actuel concernant la pollution et l'épuisement potentiel des ressources (Pétrole) nécessaires aux moteurs actuels et dans un second temps l'aéronautique dans le but de remplacer les turbines à gaz dans l’alimentation des groupes électrogènes auxiliaires de l’appareil qui servent principalement à alimenter des compresseurs permettant de pomper l’air pour l’injecter à l’intérieur de l’avion.

Les piles les plus adaptées à l'usage routier, en terme de température, d’encombrement et de puissance électrique délivrée sont les PEMFC pour la propulsion, pour l’alimentation des divers circuits électriques et enfin pour les capacité de stockage, En effet, le dihydrogène pose des problèmes pour concevoir un réservoir compact, sûr et peu coûteux de part le risque élevé d’inflammation et d’explosion au contact du dioxygène et donc la solution connu serait de stocker le dihydrogene sous forme liquide mais pour cela il faudrait concevoir des réservoirs capables de garder celui-ci à une température inférieure à -252°C. Les constructeurs se sont donc orientés vers la filière la plus simple et permettant de stocker à moindre coup; c’est à dire la filière du méthanol. Le méthanol est en effet sous forme liquide à température ambiante et permet, d’utiliser le dihydrogène reformé pour alimenter la pile à combustible du véhicule. Il faut toutefois noter que le reformage du méthanol émet des particules polluantes dans l’atmosphère (gaz à effets de serre, hydroxyde et monoxyde de carbone), mais ces derniers sont rejetés dans des quantités 97% inférieures à celles rejetées par des véhicules à moteurs traditionnelles (Diesel/Essence). Il faut ensuite noter que, après le reformeur, quelle que soit la pile à combustible employée, celle-ci ne produit que de l’eau pure et de la chaleur.

Présentation de l'étude de cas. (Exemple de pile embarqué : Véhicule de Transport Terrestre)

Audi A2 H2
BMW H2R

[modifier] Micro Piles

La commercialisation des premières piles à combustible destinées à alimenter en électricité du matériel électronique portable est en plein essor (Téléphone, Ordinateur). En effet, Le principal avantage est une augmentation de l'autonomie, puis à noter la rapidité et la simplicité du rechargement supérieur par rapport à des batteries rechargeables conventionnelles (batterie lithium-ion) ou même des piles traditionnelles ou elles ne permettent guerre d'exploiter parfaitement les capacités de ces appareils, de plus leurs ventes ne cessent d'augmenter et l'autonomie est actuellement partie prenante du choix du consommateur. De même à l'instar des batteries, la pile à combustible peut elle-même être remplacée et rechargée avec l'avantage du combustible que l'on connaît.

Le problème actuel qui empêche fortement de commencer la commercialisation à grande echelle, vient de l'encombrement des piles. Il en devient incontournable de passer par la miniaturisation notamment par l'utilisation de méthanol, pour remplacer l'hydrogène stocké dans de massives cartouches. L'utilisation de pile de type DMFC est donc intéressant en raison de ses capacités à utiliser directement du méthanol pur dans sa réaction contrairement aux PEMFC. Actuellement l'objectif ultime est de pouvoir mettre au point une pile suffisamment petite pour pouvoir alimenter un téléphone mobile. Une fois l'objectif atteint, l'autonomie de ces appareils pourraient passer d'une poignée d'heure avec des batteries rechargeables à une centaine avec les piles à combustibles. le rechargement se ferait de maniere similaire aux briquets, par adjonction de quelques millilitres de méthanol dans le réservoir.

Exemple :

Ballard PaC PEMFC (1,2 kW ; 20h d'autonomie)
Motorola (180 mW ; 6cm*5cm*1cm )
Toshiba PaC DMFC (8W, 500g, 40h d'autonomie)

[modifier] Application : FCX Concept de Honda

[modifier] Historique des avancées technologiques en matiere de PAC dans la firme Honda

[modifier] Caracteristique

[modifier] La pile à combustible "V Flow"

[modifier] Bazard

[modifier] Post-it

Faire :

Volume
Poid
Durée de vie

Honda FC Stack-equipped FCX: Specifications

Number of occupants 4 persons Maximum speed 150km/h Motor Max. output 80kW(109PS) Max. torque 272N/m(27.7kg/m) Type AC synchronous electric(Honda-made) Fuel cell stack Type Proton Exchange Membrane fuel cell(Honda-made) Output 86kW Fuel Type Compressed hydrogen gas Storage High-pressure hydrogen tank(350 atmospheres) Capacity 156.6 liters Dimensions(L x W x H, mm) 4165 x 1760 x 1645 Energy storage Ultra-capacitor(Honda-made) Vehicle range*‚P 430km

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Sommaire

[modifier] Définition & Principe

[modifier] Définition d'une PaC (Pile à Combustible)