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RÉSUMÉ
La pile à combustible est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique. Il réalise par voie électrochimique la réaction entre un carburant, souvent l'hydrogène, et l'oxygène de l'air, pour produire de l'eau, de l'énergie électrique et de la chaleur. Les principaux freins au développement des véhicules électriques sont habituellement un manque d'autonomie et une recharge trop longue. Avec un stockage d'hydrogène sous forme comprimée à 350 ou 700 bars, les véhicules à pile à combustible permettent souvent de parcourir environ 500 km, pour une recharge d'une durée de 3 à 5 minutes. Même si des améliorations sont encore à réaliser notamment en ce qui concerne les coûts, les véhicules à pile à combustible apparaissent plus que jamais comme une alternative crédible aux véhicules actuels.
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Jean-Philippe POIROT-CROUVEZIER : Ingénieur-chercheur - CEA-LITEN, Service d'intégration des générateurs electrochimiques, Grenoble, France
INTRODUCTION
La pile à combustible est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique, au même titre qu'une batterie. Les réactions électrochimiques associées à la production d'électricité ont lieu dans des électrodes, elles-mêmes séparées par un électrolyte. Dans le cas des batteries, les réactifs utilisés sont présents initialement dans les électrodes et sont consommés puis régénérés au fil des décharges et charges, tandis que dans le cas des piles à combustible, ces derniers sont apportés au fur et à mesure de leur consommation. De ce fait, les fonctions de stockage d'énergie et de production de puissance sont dissociées, avec d'une part un stockage dépendant uniquement de la taille du réservoir de carburant et d'autre part une puissance liée principalement à la taille de la pile.
Du fait de cette dissociation des fonctions, la densité d'énergie des systèmes à pile à combustible peut être augmentée à un niveau plus élevé que celle des batteries. La densité d'énergie des batteries actuelles, même pour les technologies Li/ion, reste un point limitant le développement des véhicules électriques à batterie, au même titre que la durée nécessaire à la recharge. En revanche, ces dernières années les prototypes de véhicules à pile à combustible développés par plusieurs constructeurs ont démontré la possibilité d'obtenir des véhicules électriques rechargeables rapidement, et possédant des performances et une autonomie similaire à celle des véhicules thermiques actuels. La plupart du temps ces véhicules contiennent également une batterie, ce qui rend ces technologies de stockage complémentaires, et non pas concurrentes.
Pour une étude générale sur les piles à combustible, le lecteur se reportera à l'article [D 3 340] de ce traité.
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- Version archivée 1 de mai 2003 par Renaut MOSDALE
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2. Système à pile à combustible
2.1 Tension d'une cellule de pile à combustible
L'application des premier et deuxième principes de la thermodynamique à un système de ce type permet de calculer la tension en fonction d'équations thermodynamiques caractéristiques du système et des sources d'entropie générées par les processus irréversibles internes au système.
Une demi-réaction a lieu sur chaque électrode, dont le potentiel s'exprime de la manière suivante :
avec :
- n :
- nombre d'électrons échangés,
- F :
- constante de Faraday (96 485 °C).
Au repos, le système est en équilibre thermique et mécanique, mais pas nécessairement en équilibre chimique. Si les espèces ne sont pas suffisamment électroactives pour que la demi-réaction ait lieu très rapidement dans les deux sens, l'équilibre n'est pas atteint. Dans le cas contraire, la pile se trouve dans des conditions réversibles. Elle possède alors une tension égale à la tension réversible, définie comme suit :
L'enthalpie de réaction ΔH dépend très peu de la température et de la pression, et l'entropie S des espèces réactives varie en fonction de la pression p :
Finalement,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GRIMES (P.G.) - Historic pathways for fuel cells – The new electric century. - IEEE AES Systems Magazine, p. 7-10, déc. 2000.
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(2) - MOND (L.), LANGER (C.) - A new form of gas battery. - Phil. Mag., vol. 46, p. 296-304 (1889).
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(3) - * - http://www.fuelcellpartnership.org/
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(4) - ANDREASEN (S.J.), ASHWORTH (L.), SAHLIN (S.), BECKER JENSEN (H.-C.), KÆR (S.K.) - Test of hybrid power system for electrical vehicles using a lithium-ion battery pack and a reformed methanol fuel cell range extender. - International Journal of Hydrogen Energy, 39(4), p. 1856-1863 (2014).
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(5) - PATAKANGAS (J.), MA (Y.), JING (Y.), LUND (P.) - Review and analysis of characterization methods and ionic conductivities for low-temperature solid oxide fuel cells (LT-SOFC). - Journal of Power Sources, 263, p. 315-331 (2014).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Sites hydrogène et piles à combustible
Ballard (Canada) http://www.ballard.com/
Fuel Cells 2000 http://www.fuelcells.org
Fuel Cell and Hydrogen Energy Association http://www.fchea.org
Daimler-Chrysler http://www.daimler.com/technology-and-innovation/drive-technologies/ fuel-cell
Plug Power http://www.plugpower.com/
Hydrogenics http://www.hydrogenics.com/
US Fuel Cell Council http://www.usfcc.com/
Nuvera http://www.nuvera.com/
Intelligent Energy http://www.intelligent-energy.com/
Johnson Matthey http://www.fuelcelltoday.com/
Portail d'information allemand http://www.hyweb.de/h2cars
California Fuel Cell Partnership http://www.cafcp.org/
General Motors Corp. http://www.gm.com
Toyota http://www.toyota.com
SymbioFCell http://www.symbiofcell.com/
Hypulsion http://www.hypulsion.fr/
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