Gestion de l'eau dans une pemfc

III.Qu’est-ce qu’une pile À combustible ?

Avant de commencer à vous décrire une pile à combustible il est nécessaire de savoir ce que c’est que ce système.

Une pile à combustible est composée de cellules élémentaires qui sont constituées de 3 éléments:

• 
  deux électrodes, (Dispositif conduisant le courant électrique appliqué sur une partie de l'organisme. Deux électrodes permettent d'enregistrer les phénomènes électriques (cathode et anode).
  
• 
  un électrolyte (ici la membrane, Substance ou composé qui, à l'état liquide ou en solution, permet le passage du courant électrique par déplacement d'ions.)
  

[5] Les deux électrodes sont séparées par l'électrolyte. A l'anode, on amène le combustible (le plus souvent de l'hydrogène, parfois du méthanol). La cathode est alimentée en oxygène (ou plus simplement en air, enrichi ou non en oxygène).

[4]

Fig. 1: Principe d’une pile à combustible basse température (PEMFC)

A.La découverte des piles

[5] Sir William Grove est souvent considéré comme l'inventeur de la pile à combustible en 1839. Cependant d'autres chercheurs travaillaient déjà autour de ce sujet avant lui: en 1806, Sir Humphry Davy réalisait l'électrolyse de l'eau (distillée) obtenant hydrogène et oxygène. Mais ce fut Christian Friedrich Schoenbein qui, en 1838, le premier observa le principe des piles. Dans son expérience, il utilisait un tube en U avec deux électrodes en platine. Grâce à un courant électrique, il parvint à obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène: c'est ce que l'on appelle l'électrolyse. Mais en coupant ce courant, il constata que ces gaz donnaient lieu à un courant électrique de sens inverse au premier.

Sir William Grove
William Robert Grove n'aurait sans doute pas découvert les piles à combustible s'il n'avait pas rencontré Schoenbein lors d'un meeting à Birmingham en 1839. A cette époque, il travaillait plutôt sur les batteries électriques et exerçait la profession de juge. Les deux hommes sympathisèrent, dans leurs correspondances ils se mirent au courant de leurs recherches. En 1839, Grove réalisa sa célèbre expérience avec une pile à combustible: il s'agissait d'une cellule hydrogène-oxygène avec des électrodes de platine poreux et de l'acide sulfurique comme électrolyte. Ce fut donc Grove, et non Schoenbein, qui revendiqua la découverte en 1845. Il est aussi le concepteur d'une batterie de 50 cellules pouvant produire de l'oxygène et de l'hydrogène à partir de courant et d'eau.

B.type et utilisation d'une pile

En pratique, ces cellules élémentaires sont assemblées les unes aux autres en série ou en parallèle pour former un stack. La puissance du stack dépend du nombre de cellules et de leur surface et on peut ainsi couvrir un large spectre de puissance de quelques kW à plusieurs MW. En miniaturisant l'ensemble, on a même des piles pour fournir quelques Watts.

Cela ne suffit pas pour réaliser le système tout entier: il faut en plus des compresseurs, pompes, onduleur, échangeurs de chaleur, les systèmes de contrôle - commande, de sûreté de fonctionnement, le stockage et la préparation du carburant.
Les différents Types de piles

Il existe non pas un mais 6 types de pile à combustible:

• 
  AFC (Alkaline fuel Cell),
  
• 
  PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell),
  
• 
  DMFC (Direct Methanol Fuel Cell),
  
• 
  PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell),
  
• 
  MCFC (Molten carbonate Fuel Cell),
  
• 
  SOFC (Solid Oxid Fuel Cell).
  

La plus connue est la PEMFC utilisée dans les véhicules. Ces types de piles se différencient par leur température de fonctionnement (de 60 à 1000°C!!), leur électrolyte, la pureté de l'hydrogène à l'anode (sauf pour la DMFC où on utilise du méthanol), leur architecture et les domaines d'application dans lesquels chaque type peut être utilisé.

Les domaines d'application pour les piles sont les suivants:

les applications portables,	les applications spatiales,

les applications sous-marines,	les groupes de secours,

les applications automobiles (voiture et bus),	la cogénération (industrielle ou groupements d'habitations),

la production centralisée d'électricité

Ci dessous sont données les caractéristiques de tous les types de piles.

Type de pile	AFC	PEMFC	DMFC	PAFC	MCFC	SOFC
Nom	Alkalin Fuel Cell	Polymer Exchange Membran Fuel Cell	Direct Methanol Fuel cell	Phosphoric Acid Fuel Cell	Molten Carbonate Fuel Cell	Solid Oxyd Fuel Cell
Electrolyte	Solution KOH	Membrane polymère conductrice de protons	Membrane polymère conductrice de protons	Acide phosphorique	Li2CO3 et KCO3 fondu dans une matrice LiAlO2	ZrO2 et Y2O3
Ions dans l'électrolyte	OH^-	H^+	H^+	H^+	CO3^2-	O^2-
Niveau de température	60-80°C	60-100°C	60-100°C	180-220°C	600-660°C	700-1000°C
Combustible	H2	H2 (pur ou reformé)	Méthanol	H2 (pur ou reformé)	H2 (pur ou reformé)	H2 (pur ou reformé)
Oxydants	O2 (pur)	Air	Air	Air	Air	Air
Domaines d'application	Spatial	Automobiles, Portable, Cogénération, Maritime	Portable	Cogénération	Cogénération Production centralisée d'électricité, Maritime (?)	Cogénération Production centralisée d'électricité Automobile (APU), Maritime (?)
Niveau de développement	Utilisée	Prototypes	Prototypes	Technologie mûre	Prototypes	Prototypes