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RÉSUMÉ
L’utilisation de piles à combustible permettrait de réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone) et de gaz nocifs (oxydes d’azote). De plus, leurs rendements élevés en électricité (45 à 50 %) et en cogénération d'électricité, plus chaleur (90 à 95 %), permettrait de réduire considérablement l’importation de combustibles fossiles.
Cet article se propose de rappeler le principe des piles à combustible en se basant sur la thermodynamique et la cinétique des réactions électrochimiques impliquées et de discuter des rendements énergétiques selon les différents combustibles impliqués : hydrogène, gaz naturel, hydrocarbures, méthanol, biomasse, ammoniac, etc. À titre d’exemple, les piles à basse température, utilisant des membranes protoniques ou anioniques, y seront présentées, ainsi que la pile à oxydation directe du méthanol.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Claude LAMY : Professeur émérite, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier - Membre de France Hydrogène, France
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Michel CASSIR : Professeur émérite, Chimie ParisTech, université PSL, Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), France
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Daniel HISSEL : Professeur, université de Franche-Comté, Institut universitaire de France (IUF), FEMTO-ST, CNRS - Directeur-adjoint Fédération nationale hydrogène du CNRS
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Gilles TAILLADES : Professeur, directeur de la mention énergie, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
Depuis leur invention en 1839, les perspectives d’un développement commercial des piles à combustible n’ont jamais été aussi bonnes, par suite des efforts de la recherche, de choix stratégiques de grands groupes industriels, de constructeurs automobiles et en réponse à un contexte environnemental, sociétal et politique en forte évolution.
Le principe général des piles à combustible est d’abord rappelé en évaluant les grandeurs thermodynamiques et cinétiques des réactions électrochimiques impliquées (oxydation du combustible à l’anode, réduction de l’oxygène à la cathode) dans un large domaine de température (25 °C à 1 000 °C) afin d’introduire les piles fonctionnant à basse température et à haute température. Les piles basse température (piles hydrogène/oxygène à membranes et pile à oxydation directe du méthanol) sont ensuite décrites en détails.
Les Piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) ont maintenant atteint des niveaux de maturité technologique importants permettant, au-delà de simples démonstrations, une réelle production industrielle, ainsi que leur commercialisation dans de multiples domaines : production d’énergie électrique stationnaire (bâtiments et centrales électriques, alimentation de secours, groupes électrogènes pour l’événementiel), mobilité terrestre (vélos, véhicules légers, camions, autobus, trains), navigation fluviale et maritime, applications aérospatiales (avion, drones, lanceurs, satellites). Elles ont une bonne compacité en termes de puissance spécifique (> 3 kW · kg–1 et > 3 kW · L–1), de bonnes perspectives de réduction de coût et des durées de vie suffisantes.
Les autres piles (AFC, PAFC, MCFC, SOFC, PCFC), décrites dans les 3 articles associés, ont également un certain nombre d’avantages pour des applications similaires, tandis que les Piles à oxydation directe du méthanol (DMFC) visent essentiellement les applications portables.
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MOTS-CLÉS
Cinétique de réaction pile à combustible thermodynamique hydrogène Rendement exergétique Cogénération biomasse ammoniac piles à membranes polymères piles à oxydation directe du méthanol
VERSIONS
- Version archivée 1 de août 2000 par Philippe STEVENS, Frédéric NOVEL-CATTIN, Abdel HAMMOU, Claude LAMY, Michel CASSIR
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8. Aspects environnementaux
Parmi les orientations décrites dans la stratégie nationale de l’hydrogène pour la transition énergétique (dotée d’une enveloppe en France de l’ordre de 15 milliards d’euros d’ici 2030), les systèmes de piles à combustible seront déployés dans le cadre de la mobilité et à plus moyen-long terme pour l’intégration comme un élément de stabilisation des réseaux électriques.
Les pouvoirs publics ont également identifié la nécessité de décarboner les secteurs de l’industrie et du bâtiment. Dans ces secteurs, il est envisageable d’utiliser les piles à combustible pour une production locale d’électricité ou encore en cogénération (électricité et chaleur). À ce jour les programmes mondiaux, et en particulier japonais, utilisent le gaz naturel et non l’hydrogène comme combustible. Cette technologie, avec des rendements globaux (électrique et thermique) de 90 à 95 %, pourrait diminuer sensiblement le bilan carbone de ces secteurs à condition que les systèmes soient alimentés par du méthane de synthèse ou par de l’hydrogène décarboné.
Afin de réduire les émissions de gaz carbonique (l’un des responsables de l’effet de serre et du réchauffement de la planète) à partir des sources d’énergie carbonées (gaz naturel, hydrocarbures, charbon, etc.) les grands pays industriels ont élaboré des stratégies visant à utiliser l’eau (ou éventuellement la biomasse) pour produire de l’hydrogène décarboné. En particulier la France s’est dotée d’une stratégie nationale de l’hydrogène visant à produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau pour l’industrie et l’électromobilité. Une aide de l’ordre de 15 milliards d’euros de soutien public est prévue pour assurer la souveraineté technologique française et déployer sur le territoire national une capacité de 6,5 GW en électrolyse d’ici 2030.
Les thématiques prioritaires retenues sont les suivantes :
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décarbonation de l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse ;
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développement d’une mobilité lourde à l’hydrogène décarboné ;
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soutien à la recherche, l’innovation et le développement...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOCKRIS (J.O’M.), SRINIVASAN (S.) - Fuel Cells: their electrochemistry. - McGraw Hill Book Co., New York (1969).
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(2) - TILAK (B.-V.), YEO (R.-S.), SRINIVASAN (S.) - Electrochemical Energy Conversion and Storage, dans Comprehensive Treatise of Electrochemistry. - J. O’M. Bockris, B.E. Conway, E. Yeager et R.E. White (Eds.), vol. 3, Plenum Press, New York (1981).
-
(3) - VIELSTICH (W.), GASTEIGER (H.), LAMM (A.) - Handbook of fuel cells: fundamentals and survey of systems. - Vol. 1, Wiley, Chichester (2003).
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(4) - SØRENSEN (B.) - Hydrogen and Fuel Cell Emerging Technologies and Applications. - Elsevier Academic Press, New York (2005).
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(5) - STOLTEN (D.) - Hydrogen and Fuel Cells, Fundamentals, Technologies and Applications. - Wiley-VCH, Weinheim (2010).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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GENEPAC : pile à combustible PEMFC issue du partenariat PSA Peugeot Citroën (Stellantis) et CEA.
-
Piles à combustible PEMFC et SOFC – Description et gestion du système.
-
Piles à combustible PEMFC et SOFC – Transferts de chaleur et de masse.
-
Applications mobiles et stationnaires de l’hydrogène dans la transition énergétique.
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