AD3Les piles à combustibleLes piles à combustible

(Mots-clés : Piles à combustible)

Depuis la fin des années 1990, la Communauté internationale place la question de l'énergie au centre de ses préoccupations. L'indépendance énergétique, l'efficacité de la production et la recherche en énergies renouvelables sont désormais une priorité. C'est dans ce cadre que s'inscrit le développement des piles à combustible et des modes de production de dihydrogène utilisé comme source d'énergie propre.

DOCUMENTS MIS A DISPOSITION :

DOC. 1DOC. 1 :: HISTOIRE DES PILES À COMBUSTIBLELe développement de la filière hydrogène repose en grande partie sur la technologie de la pile à combustible (PAC).

Son principe n’est pas nouveau, puisqu’il fut découvert dès 1839 par W.  GROVE.   À   l’époque,   cet   avocat   anglais,   chercheur   amateur   en électrochimie,   constate  qu’en   recombinant   du  dihydrogène  et   du dioxygène,   il   est  possible  de   créer   simultanément  de   l’eau,  de   la chaleur et de l’électricité.  La pile à combustible est née. C’est F.T. BACON,   ingénieur   américain,   qui   réalise,   en   1953,   le   premier prototype industriel de puissance notable (de l’ordre du kW). Mais seule la NASA exploitera, dans les années 60, cette technologie pour fournir en électricité deux de ses vaisseaux, Gemini et Apollo. Car, si le principe de la PAC paraît simple, sa mise en œuvre est complexe et coûteuse,   ce  qui   interdisait   jusqu’alors   sa   diffusion   vers   le   grand  public. Aujourd’hui, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses.

D’après L’Hydrogène,Livret Pédagogique n°12, CEA, 2004.

DOC. 2DOC. 2 :: FONCTIONNEMENT D’UNE PILE PEMFC

La pile PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) est  la plus développée actuellement, car c’est une pile à  basse température et  tout solide, donc à coût potentiel bas. La réaction s’opère au sein d’une structure essentiellement composée de deux électrodes séparées   par   un   électrolyte   solide,   conducteur   protonique.   Les réactions   aux   électrodes   s’effectuent   à   l’interface   électrolyte-électrode en présence d’un catalyseur.

D’après T. ALLEAU, « Mémento de l’Hydrogène », fiche 5.2.2,site AFH2, révision juin 2007.

1 Eau et énergie

Pile à combustibles de Général Electric, embarquée dans une capsule Gemini.

DOC. 3DOC. 3 :: LES PILES À COMBUSTIBLE ET LEURS APPLICATIONSIl y a aujourd’hui trois grands domaines dans lesquels on promet un brillant avenir économique à la pile combustible : le portable, le transport et le stationnaire.

Dans   le   domaine   du   portable,   une  micropile   à   combustible recharge la batterie lithium-ion (pour assurer les demandes de puissance) des téléphones mobiles, ordinateurs portables, etc. L’autonomie ne sera alors limitée que par la taille du réservoir de combustible.

Dans le domaine du transport, les études et essais portent sur l’alimentation   des   voitures,   bus,   navires,   sous-marins. Actuellement,   plusieurs   milliers   de   chariots   élévateurs   sont alimentés par des piles à combustible.

Pour   les  systèmes fixes,  en   forte  progression  depuis  2006,   la  production d’électricité  peut  être  collective  ou individuelle (habitations, sites publics, industriels ou sites isolés).

D’après « Mémento de l’Hydrogène », fiche 5.2.1,site AFH2, révision avril 2011.

DOC. 4DOC. 4 :: DIFFÉRENTS TYPES DE PILES À COMBUSTIBLE

DOC. 5DOC. 5 :: UN CATALYSEUR BIO-INSPIRÉ D’AVENIR« Des chercheurs [...] ont combiné nanosciences et chimie bio-inspirée pour élaborer, pour la première fois, un matériau capable de catalyser sans platine aussi bien la production de dihydrogène que son utilisation dans les piles à combustible. Cette avancée est un nouveau pas vers le remplacement du platine, métal rare et précieux, dans ces procédés. Ce résultat, majeur dans la perspective d’une économie de l’hydrogène plus compétitive, fait l’objet d'une publication à paraître dans la revue Science. Les recherches menées aujourd’hui pour substituer au platine   des  métaux   abondants   et   à   bas   coût   s’inspirent   des   processus   chimiques   à   l’œuvre   dans   certains organismes vivants. Ceux-ci possèdent des systèmes enzymatiques fascinants, appelés hydrogénases et utilisant exclusivement des métaux abondants comme le fer et le nickel. »

Extrait de « Un catalyseur d’avenir »,Communiqué de presse, CEA-CNRS, déc. 2009.

2 Eau et énergie

LA PILE PEMFCQ1.Q1. [DOC. 2] Expliquez la phrase en italique du document 2.Q2.Q2. [DOC. 2] Quelle est la réaction de fonctionnement d’une pile PEMFC ? Repérez l’anode et la cathode dans le schéma du document.Q3.Q3. [DOC. 2] Pourquoi l’ion H+ joue-t-il un rôle important dans ces piles ?Q4.Q4. [DOC. 2] Pourquoi la structure de la cathode doit-elle être hydrophobe ?

LA PILE AFCDans les piles à combustible dont l’électrolyte est constitué de potasse, (K+

(aq) + HO‒(aq)), les ions hydroxyde, HO‒, 

assurent le passage du courant.

Q5.Q5. [DOC. 2 & 4]Écrire les équations des réactions à l’anode et à la cathode de cette pile.Q6.Q6. En déduire l’équation de la réaction globale de fonctionnement de cette pile. Faire un schéma récapitulatif de cette pile en fonctionnement.

LA PILE SOFCDans les piles SOFC, les ions oxyde, O2‒, assurent le passage du courant et sont mis en jeu dans les réactions électrochimiques.

Q7.Q7. [DOC. 4] Écrire l’équation des réactions électrochimiques d’oxydation du dihydrogène en eau et de réduction du dioxygène en ion oxyde.Q8.Q8. En déduire l’équation de la réaction globale de fonctionnement de cette pile.

LE PLATINE

Q9.Q9. Quel est le rôle du platine dans les piles à combustible ?Q10.Q10. [DOC. 5] Expliquez, en quelques mots, l’intérêt et le principe du catalyseur découvert par le CEA.

Vous rédigerez un texte court dans lequel :

- Vous décrirez le fonctionnement d’une pile à combustible (utilisant du dihydrogène comme combustible), quelques uns de ses avantages et de ses inconvénients ;

- Vous présenterez quelques applications de la pile à combustible ;

Vous développerez votre argumentation en vous appuyant sur les documents et sur vos connaissances scientifiques. Des illustrations sont les bienvenues !

Exercices      :   n°8 p47                    n°8 p61                    n°14 p63                    n°12 p61

3 Eau et énergie

Analyse

Synthèse

TTABLEAUABLEAU DESDES COMPÉTENCESCOMPÉTENCES MISESMISES ENEN ŒUVREŒUVRE DANSDANS LL’’ACTIVITÉACTIVITÉ

COMPÉTENCES Exemples de capacités et d’aptitudes

MOBILISER SESCONNAISSANCES

Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles adaptés, les unités.

S’APPROPRIER

Rechercher, extraire et organiser l’information utile.

Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.

Questionner, identifier, formuler un problème. 

Reformuler.

Identifier les risques.

RÉALISER

Réaliser un montage à partir d’un schéma. 

Suivre un protocole donné. 

Utiliser, dans un contexte donné, le matériel à disposition.

Savoir choisir, combiner et réaliser plusieurs actions.

Effectuer un relevé de mesures.

Schématiser, construire un graphique, un tableau, etc.

Exploiter une relation, un calcul littéral.

Effectuer un calcul numérique, utiliser les symboles et les unités appropriés, utiliser la calculatrice.

Reconnaître et utiliser la proportionnalité.

Respecter les règles de sécurité, manipuler avec soin, veiller au rangement du plan de travail, etc.

ANALYSER

Émettre une hypothèse.

Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.

Élaborer ou justifier un protocole.

Proposer une méthode, un calcul, un outil adapté ; faire des essais (choisir, adapter une méthode, un protocole).

Proposer, décrire un modèle ; utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.

Percevoir la différence entre un modèle et la réalité, entre la réalité et une simulation.

VALIDER

Estimer l’incertitude d’une mesure, faire un traitement statistique d’une série de mesures, etc.

Interpréter des résultats, juger de la qualité d’une mesure, etc.

Confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation, déduire.

Valider ou invalider une information, une hypothèse, etc.

COMMUNIQUER À L’AIDE DE LANGAGES OU D'OUTILS SCIENTIFIQUES

Communiquer des résultats, rédiger une solution.

Exprimer un résultat (grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).

Rendre compte à l’écrit ou à l’oral en utilisant un vocabulaire adapté.

ÊTRE AUTONOME, FAIRE PREUVE

S’impliquer.

Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.

4 Eau et énergie

D’INITIATIVE Travailler en autonomie.

Travailler en équipe.

5 Eau et énergie

Électrolyte solide(membrane échangeuse

de protons)

H+

H+

Chaleur

Dioxygène (air)

Air appauvri endioxygène (+eau)

CathodeAnode 

Zone catalytiqueZone catalytique

2 24 4 2 ( ) ( ) ( )O H H Og aq e ℓ2 2  ( ) ( )H 2H

g aq e

M

e‒ e‒

Dihydrogène

Dihydrogène

CORRECTIONCORRECTIONRéponses aux questions :

Q1. Q1. La phrase en italique signifie que la pile PEMFC est une pile qui fonctionne sur le principe de cellules constituées de membranes échangeuse de protons.

Q2.Q2. La réaction de fonctionnement de la pile PEMFC est la suivante :

Cathode ( 1) Couple  O2 (g) / H2O(ℓ)

Anode                             ( 2) Couple H+(aq) / H2 (g)

          

À l’anode, se produit une oxydation : l’anode constitue la borne ⊖ de cette pile.À la cathode, se produit une réduction : la cathode constitue la borne ⊕ de cette pile.

Schéma récapitulatif de la pile PEMFC en fonctionnement :

Q3.Q3. L’ion H+ joue un rôle important, car c’est lui qui assure le passage du courant électrique à l’intérieur de la pile.

Q4.Q4. La structure de la cathode doit être hydrophobe puisqu’il y a production d’eau lors de la réduction cathodique et cette eau doit être éliminée et ne doit pas entrer en contact avec l’électrolyte solide.

Q5Q5 et Q6.Q6.

Cathode ( 1) Couple  O2 (g) / HO‒(aq)

Anode            

( 2) Couple H2O(ℓ) / H2 (g)

               

Électrolyte(solution aqueuse

d’hydroxyde de  potassium)

HO‒

HO‒

Chaleur

CathodeAnode 

Zone catalytiqueZone catalytique

M

e‒ e‒

2 2 2  ( ) ( ) 2 ( )H HO 2H O

g aq e ℓ 2 2 4 4 ( ) 2 ( ) ( )O H O HOg aqe ℓ

Dioxygène (air)

Dihydrogène(+ eau)

Air appauvri endioxygène

Dihydrogène

Schéma récapitulatif de la pile AFC en fonctionnement :

Q7Q7 et Q8.Q8.

Cathode   

( 1) Couple  O2 (g) / O2‒(aq)

Anode   

( 2) Couple H2O(ℓ) / H2 (g)

Q9.Q9. Le platine est un catalyseur d'oxydoréduction : il favorise la réaction d’oxydation du dihydrogène.Q10.Q10. La découverte du CEA permet de remplacer l’utilisation du platine (métal rare et coûteux) par un matériau qui s’inspire (« bio-inspirés ») des processus enzymatiques présents dans certains organismes vivants. Il est à base de métaux abondants et peu coûteux tels que le fer et le nickel et favorise (catalyse) l’oxydation du dihydrogène en ions hydrogène.

Commentaire argumenté

Les grands enjeux de notre siècle que sont la nécessité de réduire les émissions de gaz à effets de serre (notamment le CO2) et la lutte contre le réchauffement climatique ont favorisé la recherche de moyens de production d'énergie moins polluants. Par ailleurs, nos réserves d’énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) s’amenuisent. Il faut donc s’orienter vers des moyens alternatifs de production d’énergie. L’une des nombreuses solutions à l’étude, pour répondre aux défis énergétiques des décennies à venir, est le développement de la pile à combustible.

[Présenter la photographie du DOC. 2] Une pile à combustible est un générateur électrochimique  dans  lequel  du  dihydrogène est oxydé à l’anode et du dioxygène est réduit à la cathode, l’eau constituant le produit de la réaction.

[Présenter le DOC. 4] Il existe différents types de piles à combustible, qui diffèrent par la nature de l’électrolyte et des ions assurant le passage du courant dans la pile, ainsi que par la température de fonctionnement.

[Présenter le schéma du DOC. 3] Leurs utilisations sont multiples :

- Alimentation énergétique des engins spatiaux [Présenter la photographie du DOC. 1] ;- Moyen de propulsion dans les transports (alimentation en électricité des bateaux, des voitures, des scooters, 

des bus, des engins de manutention, etc.) [Présenter la photographie de l’introduction] ;- Alimentation en électricité des instruments portables (téléphones, ordinateurs, instruments portables, etc.) ;- …

Les piles à combustible présentent de nombreux avantages comme une pollution quasiment nulle pendant son utilisation, un fonctionnement silencieux, un rendement supérieur aux autres moyens de production d’électricité… Mais le dihydrogène n’est pas disponible à « l’état naturel » : il est nécessaire de le produire, de le transporter et de le stocker, ce qui n’est pas sans poser quelques problèmes techniques.

Le 9 janvier 2012 a été inaugurée la plateforme Myrte (Mission hydrogène renouvelable pour ['intégration au réseau électrique) en Corse, près d'Ajaccio. L'ambition de cette plateforme est de proposer une solution de stockage d'électricité sous forme de dihydrogène et de dioxygène produits par électrolyse de l'eau. Cette énergie électrique sera ensuite restituée via une pile à combustible.

La production et le stockage de dihydrogène, couplés à une production d'électricité à partir d'énergie solaire (utilisation de panneaux photovoltaïques), ont pour objectif :

- de mieux gérer les pics de consommation électrique dans l'île, en restituant, lors des périodes de forte consommation, l'énergie stockée ;

- d'atténuer les variations de production par les panneaux dues aux variations d'ensoleillement ;

- de limiter les surtensions liées à une forte production lors des périodes de faible consommation.

Cette technologie prometteuse en est encore à ses balbutiements, des obstacles restent encore à franchir pour qu’elle rivalise avec l’utilisation des énergies fossiles ou pour qu’elle puisse faire face aux groupes pétroliers qui, pour préserver leurs intérêts, s’opposent à l’arrivé sur le marché des nouvelles technologies de motorisation (domaine prédestiné pour l’utilisation de la PAC). De plus, le coût de fabrication d’une PAC reste encore trop élevé et sa durée de vie trop faible pour qu’elle se démocratise. (Mais ça viendra !)

Caractéristiques techniques d’un véhicule fonctionnantavec une pile à combustible PEMFC

O2

H2O

H2

Restede H2

Électrolyte

CathodeAnode e‒

Pour aller plus loin      :  

- GUIDEnR HQE, l'information Haute Qualité Environnementale (La pile à combustible) ;- La pile à combustible (Wikipedia.org);- La pile à combustible alcaline (Wikipedia.org) ;- La pile à combustible à oxyde solide (Wikipedia.org) ;- Avantages de la pile à combustible ou Avantages des piles à combustible ou Pile à combustible 

(Ékopédia.org).

Source de l’activitéSource de l’activitéActivité n°3 p52 (HACHETTE TS Ens. Spécialité, Collection Dulaurans Durupthy)