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Définition
Une
pile à combustible est un générateur
électrochimique d'énergie permettant de transformer directement
l'énergie chimique d'un combustible
(hydrogène, hydrocarbures,
alcools,...) en énergie électrique sans passer par l’énergie
thermique.
Principe de fonctionnement
La
pile à combustible fonctionne sur le monde inverse de l'électrolyse
de l'eau. Ici, on supprime la source de tension, on alimente en hydrogène
et oxygène et on constate l'apparition d'une tension électrique
entre les deux électrodes :
le dispositif est devenu un générateur
électrique qui fonctionnera aussi longtemps qu'il sera alimenté.
Pour cela elle est constituée de deux électrodes
(anode et cathode) séparées par un électrolyte,
matériau qui bloque le passage des électrons mais laisse
circuler les ions. (voir
le shéma)
Le combustible à base d'hydrogène
H2 est amené sur l'anode. H2 va se transformer en ions H+ et libérer
des électrons qui sont captés par l'anode. Les ions H+ arrivent
sur la cathode où ils se combinent aux ions O2 constitués
à partir de l'oxygène de l'air, pour former de l'eau. C'est
le transfert des ions H+ et des électrons vers la cathode qui va
produire un courant électrique continu à partir de l'hydrogène.
Cependant cette tension ne dépasse pas 0,7 V par cellule ; il faut
donc utiliser un grand nombre de cellules en série pour obtenir
la tension requise. Le courant électrique produit par la pile est
continu ; il est donc souvent nécessaire de placer en aval de la
pile un onduleur permettant la transformation du 
courant
continu en un courant alternatif, notamment lorsque l'installation est
utilisée pour fournir du courant domestique.
La réaction est déclanchée à l'aide d'un catalyseur.
Il s'agit en général d'une fine couche de platine disposée
sur les électrodes (anode et
cathode)
Un des points critique, relatif à la construction de la pile, est
de pouvoir contrôler de manière optimale l'approvisionnement
et l'évacuation des composés alimentant chaque cellule (généralement
de l'hydrogène et de l'air), ou devant être évacués
(généralement de l'eau).
Une
pile, un système
Comme
un moteur, une pile à combustible a besoin d'être entourée
de composants et de sous-systèmes pour se transformer en générateur
d'électricité.
Il lui faut:
-
un réservoir
- un compresseur d'air
- un sous-système de refroidissement
-
un convertisseur
- un contrôle commande avec ses capteurs, vannes...
Toutefois le fonctionnement reste très silencieux.
Le
combustible & et son stockage
L
e
combustible le plus simple à
utiliser est l'hydrogène. C'est également lui qui permet
d'obtenir les densités de courant les plus élevées.
Sa combustion ne produit que de l'eau (sous forme liquide ou de vapeur).
C'est un carburant réactif et il est abondant. Cependant il est
inflammable dans l'air ou en présence d'oxygène. De plus,
incolore et inodore, c'est un gaz a manipuler avec précaution.
Autre inconvénient: il occupe beaucoup de place, ce qui s'avère
problématique dans le cas de piles équipant des véhicules.
Les recherches sur la pile portent donc également sur les réservoirs
de stockage d'hydrogène que l'on veut plus sûrs, plus légers
et plus compacts. Une des solutions consiste donc à utiliser un
hydrocarbure ou un alcool comme le méthanol.
Dans le domaine du stockage les avancées technologiques progressent
de jours en jours.
Le rendement
Le
rendement d'une pile à combustible varie selon le type de pile
et peut être supérieur à 50%. A titre de comparaison,
le rendement d'un moteur à combustion interne est en moyenne de
15%. De plus, l'énergie non convertie en énergie électrique
est émise sous forme de vapeur d'eau (donc de chaleur) qui est
utilisée à des fins de cogénération:
chauffage, eau chaude...