Cours de tleS – Eau et énergie – Terminale
Les piles à combustibles présentent de nombreux avantages pour remplacer les moteurs à explosion. Le dihydrogène est une source d’énergie renouvelable puisqu’il est formé à partir d’eau et que son utilisation dans les piles produit à nouveau de l’eau. Cependant sa production actuelle nécessite l’utilisation d’une ressource non renouvelable, le gaz naturel. Afin que le dihydrogène soit une source d’énergie renouvelable à faible impact écologique dans l’avenir, il est nécessaire de trouver de nouvelles méthodes de production.
Définitions
Membrane échangeuse de protons : membrane permettant le passage des protons (ions H+), mais pas des autres espèces chimiques.
Pile à combustible: pile dont l’un des réactifs est un combustible (réducteur) et l’autre un comburant (oxydant).
Potentiel standard: grandeur exprimée en volts qui permet de caractériser la puissance de l’oxydant d’un couple redox. Plus le potentiel standard est important, plus l’oxydant est puissant.
Vaporéformage: technique particulièrement rentable de production de dihydrogène consistant à faire réagir de l’eau sur un hydrocarbure. Cette méthode produit également du dioxyde de carbone.
Pile à combustible à hydrogène
Les piles à combustibles à dihydrogène sont les plus répandues. Il existe principalement deux types de piles à hydrogène :
Pile à combustible à membrane d’échange de protons:
Dans cette pile, le dihydrogène arrive au niveau de l’anode, et est ionisé selon la réaction d’oxydation :
Les électrons sont captés par l’électrode et injectés dans le circuit électrique. L’anode constitue la borne négative.
Les protons, quant à eux, passent à travers la membrane constituée par l’anode. Ils vont migrer à travers l’électrolyte jusqu’à atteindre la cathode.
Dans la pile décrite ici, l’électrolyte est constitué d’une membrane polymère hydratée. Avec les électrons incidents à la cathode et l’arrivée de dioxygène, les protons participent à la réaction de réduction :
La cathode est la borne positive.
L’équation globale de la réaction est :
Elle est exothermique c’est-à-dire qu’il y a dégagement de chaleur au sein de la pile (pouvant dépasser exceptionnellement 100 °C). La vapeur d’eau produite sort de la pile en emportant une part de l’énergie thermique. Cette chaleur peut être mise à profit : chauffage, source d’eau chaude.
Au niveau des deux électrodes, les demi-réactions sont catalysées (la platine est le plus fréquent des catalyseurs).
La technologie des piles à combustible à membrane d’échange de protons est actuellement en plein développement grâce aux progrès effectués en physique des matériaux (en ce qui concerne les membranes).
Pile à combustible alcaline:
Dans la pile vue précédemment, les protons migrent entre les électrodes. Ici, ce sont des ions hydroxydes (HO–) qui se déplacent dans un électrolyte constitué d’une solution basique (d’où le terme « alcalin »), comme par exemple de l’hydroxyde de potassium (KOH).
Au niveau de la cathode (borne positive), le dioxygène réagit avec de l’eau selon la réaction :
Il s’agit d’une réduction.
Puis, les ions vont migrer jusqu’à l’anode, où ils vont réagir avec le dihydrogène selon la réaction d’oxydation :
Une partie de l’eau produite va s’échapper de la pile sous la forme de vapeur d’eau. L’autre partie restera dans la solution alcaline de l’électrolyte, de sorte que la solution ne verra pas sa quantité d’eau varier. La réaction globale qui a lieu est ainsi :
La température de fonctionnement est entre 60 °C et 90 °C, pour des puissances allant de 10 à 100 kW. Les piles à combustible alcaline et les piles à membrane d’échange de protons sont toujours présentes dans le cadre d’applications spatiales. En effet, les coûts et contraintes dans ce domaine (pureté des gaz utilisés) sont compatibles avec ces deux types de pile.
