I.2 La pile à combustible

La pile à combustible fonctionnant au dioxygène et au dihydrogène permet de fournir de l'électricité à un ou plusieurs moteurs électriques pour mouvoir une voiture.

Fonctionnement

Le principe de la pile à combustible est découvert au milieu du XIXè par un avocat anglais, Sir William Grove. La pile à combustible permet de récupérer de l'énergie sous forme d'électricité à partir d'une source de dihydrogène et d'une source de dioxygène. Il existe différents types de piles à combustible. La plus utilisée dans l'automobile à hydrogène est celle de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Le principe est l’inverse de celui de l’électrolyse de l’eau : pendant une électrolyse c’est la tension entre les deux électrodes qui permet de séparer H2 et O2 alors que dans une pile à combustible on fait intervenir les deux molécules qui réagissent et produisent ainsi un courant électrique.

Plus en détail

Mettre seulement en présence le dioxygène et le dihydrogène provoquerait une combustion ou plutôt explosion (si bien sur la température d'auto-inflamamtion est atteinte). Ce qui permet de déclencher la réaction d’oxydoréduction et donc le bon fonctionnement de la pile est le catalyseur. Le plus souvent une fine couche de platine fait office de catalyseur et elle est placée sur les électrodes, ce qui permet aux molécules de dihydrogène de se dissocier en H+ et e-.

La pile à hydrogène est assez semblable à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode séparées par une électrolyte(souvent une membrane de polymères) qui a pour rôle de permettre le passage des ions mais pas celui des électrons.


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Le dihydrogène est introduit du côté du pôle négatif, l’anode. Comme dans toute réaction d’oxydoréduction, on a un transfert d’électrons, d’où le couple H+ / H2. H2 → 2 H+ + 2 e- Les ions H+ migrent à travers de l’électrolyte, qui assure leur passage tandis que les électrons sont contraints de circuler dans un circuit externe qui alimente le moteur en électricité. Le dihydrogène fournit les électrons (2 par molécule de H2), il est appelé réducteur car il fournit les électrons. Le H2 s’oxyde donc.

Du côté de la cathode, pôle positif, le dioxygène introduit réagit avec les ions H+ qui ont traversé l’électrolyte et les électrons provenant du circuit électrique. La réaction obtenue est ½O2 + 2H+ + 2 e- → H2O Le dioxygène capte les électrons; c’est donc l’oxydant. Il réduit.
Au final on peut écrire que H2 + ½ O2 → H2O + chaleur

La pile à combustible fonctionne tant qu’elle est alimentée. Le dioxygène se trouvant de manière perpétuelle dans l’air, c’est le ravitaillement en H2 qui pose problème, d’autant qu’il faut pouvoir le stocker.

Impact environnemental


Le fonctionnement de la pile à combustible (alimentée en dihydrogène et dioxygène) ne rejette ainsi aucun gaz toxique ni aucun gaz à effet de serre. Mis part l’électricité produite, seulement de la vapeur d’eau est émise. La seule ombre à ce tableau écologique est celle de la production de dihydrogène, qui doit absolument se faire sans aucuns rejets ou en limitant les dégagements de CO2 et gaz toxiques. On peut par exemple citer une production de dihydrogène par une électrolyse alimentée par des énergies renouvelables comme le fait par exemple une usine du Canada qui produit du dihydrogène par le biais d'électricité d'origine hydrolique. Les rejets de CO2 totaux en fin de chaine sont donc casi nuls (a part bien sur la construction de la voiture).

Rendement

En théorie le rendement d'une pile à combustible est très élevé(83%), quand le rendement d'un moteur diesel est de 40% environ et celui d'un moteur à essence de l'ordre de 30%. Ce chiffre (83%) est la valeur optimale atteinte pour des conditions particulières, peu énergivores. Il en est de même pour un moteur thermique. Mais prenant en compte toutes les conditions d'utilisations possibles, le rendement chute(pour atteindre environ 60%). En effet, plus on demande à la pile à combustible moins son rendement est bon.
De plus, la pile est aussi très sensible à tout excès de température. Si la membrane vient à surchauffer, c'est toute la pile qui est détruite. Le système de refroidissement fonctionne mieux quand la différence de température est élevée alors que la pile à combustible fonctionne mieux à basse température. Il faut prévoir en conséquence un système de refroidissement surdimensionné et complexe.

Sources

 
i_-_environnement/2_-_les_moteurs_electriques_assistes_par_pile_a_combustible.txt · Dernière modification: 2011/12/15 21:02 (édition externe)
 
Ce TPE à été réalisé par Gabrielle Chevrot, François De Lavernette ainsi que Frank Villaro-Dixon pendant l'année 2009-2010. Il est sous license CC BY-NC-SA.


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