Bibliographie sur les piles à combustible

Généralités sur les piles à combustible

La pile à combustible est un convertisseur d’énergie. À ce jour elle représente le moyen le plus efficace du point de vue du rendement pour convertir de l’énergie chimique en énergie électrique, et en chaleur. Dans le cas où le combustible est l’hydrogène, la pile à combustible est le siège de deux demi-réactions d’oxydo-réduction dont la réaction bilan est la suivante (réaction inverse à celle de l’électrolyse de l’eau) :

H2(g) + ½ O2(g) → H2O G0 < 0 ( 0 ∆G = -237 kJ.mol-1 à 25°C)

C’est en 1839 que le britannique William Grove démontre que cette réaction globale peut produire de l’électricité [Grove, 1839], mais cette découverte ne suscite que peu d’intérêt durant plus d’un siècle. Il faut attendre 1953 pour que l’anglais F.T. Bacon réalise un prototype de 1 kW qui servira de modèle pour équiper la mission spatiale Apollo. Ces premiers essais suscitent alors l’intérêt d’entreprises telles que Westhinghouse, Siemens, Du Pont…

Les plus étudiées parmi elles à ce jour sont les PEMFC et les SOFC. La technologie à membrane polymère est aujourd’hui la plus développée. De nombreux prototypes sont en cours de test dans le monde entier et la commercialisation a débuté. L’application « embarquée » a largement contribué à son essor. On peut constater par ailleurs dans ce tableau que les piles à oxydes solides céramiques (technologie SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) possèdent un fort rendement électrique, ainsi qu’un rendement total important. Cette technologie est décrite plus en détail dans la suite de ce travail.

Avantages et inconvénients des piles à combustible [s.i.]

Les piles à combustible sont souvent présentées comme la solution du futur dans le domaine de production d’énergie électrique. Cet attrait est justifié par leurs nombreux avantages :
➤ de hauts rendements énergétiques même à charge partielle,
➤ peu d’émissions (elles dépendent cependant du combustible utilisé)
➤ elles sont de construction modulaire,
➤ diverses températures de fonctionnement,
➤ pas de parties rotatives.

Un haut rendement énergétique
Le rendement électrique dépend du type de pile, il varie entre 40 % et 70 %. Une spécificité des piles est que le rendement électrique ne diminue pas et même augmente à charge partielle. Ce rendement ne diminue donc pas dans le cas de petites installations, à la différence des installations conventionnelles où les petites unités de quelques kW ont de faibles rendements : leur rendement chute à très faible charge en raison de la consommation des accessoires.

Émissions limitées
On cite les piles à combustible comme atout dans la lutte contre la pollution, en particulier la limitation des gaz à effet de serre. Les émissions produites par un système pile dépendent étroitement du carburant utilisé et de son origine. Les émissions à considérer sont :
– les gaz à effet de serre, en particulier le CO2 et le CH4,
– le CO,
– les NOx (oxydes d’azote),
– les particules carbonées,
– les poussières.

Modularité
Les piles sont constituées de cellules élémentaires mises en parallèle ou en série pour obtenir la puissance voulue. Il est donc possible, en adaptant le nombre de cellules ainsi que la surface de chacune, d’obtenir toutes les puissances possibles entre 1 kW et plusieurs MW. Pour les piles de très petite puissance, on a recours à des technologies de miniaturisation.

Diverses températures de fonctionnement
Pour les piles à basse températures de fonctionnement, c’est un avantage sur deux points : le rendement électrique est meilleur à basse température et cette dernière est plus adaptée aux applications mobiles ou portables qui n’ont pas besoin de la chaleur produite par la pile. En revanche, pour les piles à températures de fonctionnement plus élevées, on peut utiliser la chaleur pour des applications domestiques ou industrielles voire un couplage avec une turbine.

Cependant il y a aussi des inconvénients, des nombreux points faibles qui sont à régler.
– le coût,
– la durée de vie,
– la gestion thermique du module,
– le carburant.

Le coût
C’est le plus gros problème actuellement : dans les applications automobiles, le prix des piles est 100 fois supérieur à celui assurant la compétitivité. Cela est dû à plusieurs choses, notamment à l’utilisation de platine (matériau rare et relativement cher) et aussi à l’utilisation de membranes aux prix coûteux.

Durée de vie
La durée de vie estimée est de 40000 heures pour les PAFC, de 20000 heures pour les MCFC et d’environ 8000 heures pour les AFC. Pour les PEM et les SOFC, on a donc peu de renseignements sur leur durée de vie, elles sont encore au stade de prototypes. Les contraintes diffèrent selon l’application :

automobile : quelques milliers d’heures ;
stationnaire : au moins 40000 heures.

Dans cette optique, il faut prendre en compte les frais de maintenance (inconnus pour le moment) et la possibilité de changer une ou plusieurs pièces dans le système. Seuls des prototypes qui seront testés dans les années à venir permettront d’apporter une réponse.

Gestion thermique du module
Le module pile à combustible doit encore être intégré au reste du système. Dans le cas des applications automobiles, il faut évacuer la chaleur générée par la pile. Cela impose donc de la coupler à un système de refroidissement efficace. Pour les applications stationnaires, il s’agit de valoriser au maximum la chaleur sans pour autant devoir mettre de nombreux échangeurs de chaleur.

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I : Bibliographie sur les piles à combustible
I-1) Introduction
I-2) Généralités sur les piles à combustible
I-2-1) Les différentes technologies de piles à combustible
I-2-2) Avantages et inconvénients des piles à combustible
I-3) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) – Les piles à combustible haute température à électrolyte solide
I-3-1) Principe de fonctionnement
I-3-2) Technologie et application des piles de type SOFC
I-3-3) Enjeux de recherche : les matériaux
I-4) Piles de type SOFC monochambres – État de l’art
I-4-1) Principe général des SOFC monochambres
I-4-2) Évolution des SOFC monochambres d’après T. Hibino
I-4-3) Effet exothermique
I-4-4) Progrès récents des SOFC monochambres
I-5) Conclusion du chapitre
CHAPITRE II : Caractérisation des matériaux
II-1) Introduction
II-2) Électrolyte
II-2-1) Caractérisation des poudres initiales
II-2-2) Réalisation d’électrolytes supports (pastilles)
II-2-3) Caractérisation électrique des pastilles denses
II-3) Électrodes
II-3-1) Mise en forme des électrodes par sérigraphie
II-3-2) Les poudres utilisées pour la cathode
II-3-3) Anode
II-4) Conclusion du chapitre
CHAPITRE III : Élaboration et tests de piles
III-1) Introduction
III-2) Élaboration des piles
III-3) Banc et conditions de test
III-3-1) Description du banc de test
III-3-2) Concentration des gaz, conditions d’explosivité
III-3-3) Protocole des tests
III-4) Tests de piles
III-4-1) Piles avec cathode à base de Sm0,5Sr0,5CoO3 (SSC)
III-4-2) Piles avec cathode à base de Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ (BSCF)
III-4-3) Piles avec cathode à base de La0,8Sr0,2MnO3 (LSM)
III-5) Conclusion du chapitre
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES