La pile à combustible

Figure 1.1 – Schéma de principe de conversion directe en électricité.

Figure 1.2 – Tension fournie en fonction du temps de fonctionnement.

Figure 1.3 – Prototype 2004 d’une micropile à combustible d’une centaine de milliwatts.

Figure 1.4 – Unité de cogénération de 1 kW

Figure 1.5 – Unité de 300 kW installée à l’université américaine de Yale

Figure 2.1 – Pile à combustible utilisée pour les missions Gemini

Figure 2.2 – Émissions des gaz à effet de serre en France en 2008.

Figure 3.1 – Principales découvertes jalonnant les débuts de l’électricité.

Figure 3.2 – Christian Friedrich Schonbein .

Figure 3.3 – William Robert Grove présentant une de ses premières piles à combustible

Figure 3.4 – F.T. Bacon et la première pile à combustible de 5 kW

Figure 3.5 – Motocyclette Union Carbide.

Figure 3.6 – Austin A40

Figure 4.1 – Structure schématique d’une pile à combustible.

Figure 4.2 – Décomposition de l’hydrogène à l’anode.

Figure 4.3 – Décomposition de l’oxygène.

Figure 4.4 – Schéma global de fonctionnement.

Figure 5.1 – Oxydation et réduction.

Figure 5.2 – Catalyseur dispersé à la surface des électrodes poreuses.

Figure 5.3 – Cours du platine depuis 1998

Figure 5.4 – Enthalpie de formation de l’eau.

Tableau 5.1 – Phénomènes électrochimiques dans une pile à combustible.

Figure 5.5 – Zone de triple contact.

Figure 5.6 – Réactions à l’interface anodique (mécanisme simplifié).

Figure 5.7 – Double couche de Helmholtz.

Figure 5.8 – Double couche de gouy-chapman-stern.

Figure 5.9 – Énergie d’activation pour la formation d’eau (réaction exothermique).

Figure 5.10 – Énergies d’activation sans et avec catalyseur.

Tableau 5.2 – Densité de courant d’échange.

Figure 5.11 – Équation de butler-volmer.

Figure 5.12 – Équation de Tafel.

Figure 5.13 – Tracé de Tafel pour les deux électrodes.

Figure 5.14 – Influence schématisée des surtensions d’activation sur les potentiels d’électrode.

Figure 6.1 – Courbe type tension/densité de courant.

Figure 6.2 – Influence de la pression sur la tension.

Tableau 6.1 – Influence de la température sur la tension.

Figure 6.3 – Influence de la température sur la tension (exemple).

Figure 6.4 – Équivalent électrique d’une pile à combustible.

Figure 6.5 – Influence de la polarisation sur la tension.

Figure 6.6 – Gradient de concentration à l’électrode.

Figure 6.7 – Effet des différentes polarisations (représentation simplifiée).

Figure 6.8 – Tension en fonction des polarisations.

Figure 6.9 – Rendements comparés d’une pile à combustible et d’un moteur thermique (cycle de Carnot avec Tmin = 298,15 K).

Figure 6.10 – Gestion thermique.

Figure 6.11 – Courbes caractéristiques d’une pile à combustible.

Tableau 7.1 – Types de piles à combustible.

Figure 8.1 – Structure d’une cellule élémentaire de pile de type PEMFC.

Figure 8.2 – Structure moléculaire du NafionTM

Figure 8.3 – Conductivité typique d’une membrane en Nafion en fonction du taux d’humidité.

Figure 8.4 – Structure simplifiée du PBI dopé à l’acide phosphorique.

Figure 8.5 – Méthodes d’intégration de la couche de diffusion gazeuse (GDL) et du catalyseur.

Figure 8.6 – Influence du CO sur les performances(courbe typique)

Figure 8.7 – Couche de diffusion de gaz.

Figure 8.8 – Couche de diffusion de gaz hydrophile ou hydrophobe.

Figure 8.9 – Cellule élémentaire.

Figure 8.10 – Courbe typique d’une pile à combustible de type PEMFC (cellule élémentaire)

Figure 8.11 – Gestion de l’eau dans une pile de type PEMFC.

Figure 8.12 – Phénoménes lors du vieillissement des particules de catalyseur.

Figure 9.1 − Schéma du cœur de pile de type DMFC

Figure 9.2 – Courbe typique d’une pile à combustible de type DMFC (cellule élémentaire).

Figure 11.1 − Structure d’une cellule élémentaire de pile de type PAFC

Figure 12.1 – Pile à combustible de type AFC (électrolyte en circulation).

Figure 13.1 – Pile à combustible de type MCFC.

Figure 14.1 – Réactifs et produits aux électrodes.

Figure 14.2 – Structure tubulaire Principe

Figure 14.3 – Structure tubulaire – Détail.

Figure 14.4 – Structure tubulaire – Assemblage

Figure 14.5 – Structures planaires.

Figure 14.6 – SOFC à structure planaire.

Figure 14.7 – SOFC planaire concentrique

Figure 14.8 – Structure tubulaire et structure HPD.

Figure 14.9 – Conductivité ionique de l’électrolyte en fonction de la température.

Figure 14.10 – Structure cristalline de l’électrolyte solide.

Tableau 15.1 – Résumé des caractéristiques principales.

Tableau 15.2 – Domaines potentiels d’utilisation.

Figure 16.1 – Schéma de principe d’un stack.

Figure 16.2 – Stack de 30 cellules d’un APU avec pile de type SOFC occupant un volume de 2,5 L et une masse de 9 kg

Figure 17.1 – Plaque bipolaire (schéma de principe).

Figure 17.2 – Cellule élémentaire (stack) avec plaques bipolaires.

Figure 17.3 – Plaque bipolaire avec canaux sur les deux faces.

Figure 17.4 – Comparaison entre plaque bipolaire en graphite usinée ou moulée et plaque métal emboutie.

Tableau 17.1 – Comparaison des matériaux utilisés pour les plaques bipolaires.

Figure 17.5 – Exemple de profils de plaques bipolaires (pile de type PEMFC).

Figure 17.6 – Variation de concentration de réactifs le long d’un canal.

Figure 17.7 – Quelques exemples de configuration de canaux.

Figure 17.8 – Rampe d’alimentation en combustible/comburant – Exemple 1.

Figure 17.9 – Rampe d’alimentation en combustible/comburant – Exemple 2.

Figure 17.10 – Plaque bipolaire intermédiaire.

Figure 17.11 – Évacuation de la chaleur pour une cellule élémentaire et un stack.

Figure 17.12 – Exemples de circuits de refroidissement.

Figure 17.13 – Fonctions schématisées d’une plaque bipolaire.

Figure 17.14 – Plaque bipolaire en graphite moulé

Tableau 18.1 – Limite des concentrations de quelques poisons dans le combustible.

Figure 19.1 – Principe de l’électrolyse.

Figure 19.2 – Électrolyseur alcalin

Figure 19.3 – Électrolyseur de type PEM

Figure 19.4 – Électrolyseur domestique

Figure 19.5 – Production décentralisée d’hydrogène par électrolyse.

Figure 19.6 – Électrolyseur « solaire »

Figure 19.7 – Vaporeformage du gaz naturel.

Figure 19.8 – Vaporeformage du méthanol (principe).

Figure 19.9 – Capture d’éclairs pour production d’hydrogène

Figure 19.10 – Production thermique d’hydrogène.

Figure 19.11 – Watergas shift

Figure 19.12 – Oxydation préférentielle du CO

Figure 19.13 – Purification par membrane.

Figure 19.14 – Unités d’adsorption (PSA).

19.3.8. Unités et modules de reformage et purification

Figure 19.16 – Reformeur de 1,2 Nm3/h

Figure 19.17 – Reformeur pour station-service d’hydrogène

Figure 19.18 – Microreformeur expérimental

Figure 19.19 – Masque du microreformeur avec le serpentin de 4 cm de côté contenant le catalyseur

Figure 19.20 – Production de CO2 lors du vaporeformage du gaz naturel.

Figure 19.21 – Capture du CO2 par monoéthanolamine.

Figure 19.22 – Capture de CO2 par membrane.

Figure 19.23 – Options de séquestration du CO2.

Figure 19.24 – Principe du reformage interne.

Figure 19.25 – On-board reforming.

Figure 19.26 – Production centralisée d’hydrogène.

Figure 19.27 – Production décentralisée d’hydrogène.

Figure 19.28 – Liquéfaction de l’hydrogène

Figure 19.29 – Molécules d’hydrogène para et ortho.

Figure 19.30 – Transport d’hydrogène gazeux

Figure 19.31 – Transport d’hydrogène liquide

Figure 19.32 – Stockage avant distribution

Figure 19.32 – Stockage avant distribution

Tableau 19.1 – Station-sservice d’hydrogène dans le monde.

Figure 19.33 – Station-service de l’aéroport de Munich

Figure 19.34 – Station-service à hydrogène de Berlin

Figure 19.35 – Camion d’alimentation (station-service mobile) en hydrogène

Figure 19.36 – Mise en place manuelle de l’alimentation en hydrogène gazeux

Figure 19.37 – Robot d’alimentation en hydrogène liquide

Figure 19.38 – Réservoirs d’hydrogène comprimé sous 700 bar pour véhicule léger.

Figure 19.39 – Réservoirs pour montage sur toit de bus

Figure 19.40 – Réservoir d’hydrogène liquide utilisé sur un véhicule

Figure 19.41 – Stockage d’hydrogène dans des hydrures.

Figure 19.42 – Stockage d’hydrogène dans un hydrure métallique.

Figure 19.43 – Réservoirs d’hydrure du sous-marin U-212 (source : ThyssenKrupp Marine Systems AG).

Figure 19.44 – Stockage d’hydrogène dans des hydrures

Figure 19.45 – Décomposition du borohydrure de sodium.

Figure 20.1 – Molécule de méthanol.

Figure 20.2 – Production du méthanol à partir du gaz naturel (schéma simplifié).

Figure 20.3 – Production de méthanol à partir du charbon.

Figure 21.1 – Cycle du CO2 lors de la production de l’éthanol.

Figure 21.2 – Schéma des étapes majeures de production de l’éthanol.

Figure 21.3 – Production d’hydrogène à partir d’ammoniac.

Figure 22.1 – Production centralisée/distribution d’hydrogène par reformage ou gazéification.

Figure 22.2 – Production centralisée/distribution d’hydrogène par électrolyse.

Figure 22.3 – Combustible en fonction du type de pile.

Tableau 22.1 – Contenu énergétique (PCI).

Figure 22.4 – « Équivalent » énergétique de 50 L d’essence.

Figure 22.5 – Étapes de production d’essence (calcul du WTP).

Tableau 22.2 – Bilan de l’extraction à la station-service (WTP).

figure 22.6 – Bilan de l’extraction à la stationservice (WTP).

Figure 24.1 – Balance of plant (Bop).

Figure 24.2 – Configuration des stacks en série ou en parallèle.

Figure 24.3 – Alimentation en hydrogène pur stocké.

Figure 24.4 – Schéma simplifié d’alimentation par reformage.

Figure 24.5 – Alimentation directe en méthanol pur.

Figure 24.6 – Alimentation en air.

Figure 24.7 – Traitement de l’électrolyte d’une pile AFC.

Tableau 24.1 – Sous–produits en fonction du type de pile à combustible.

Figure 24.8 – Gestion (partielle) thermique d’une pile de type PEMFC.

Figure 24.9 – Gestion centrale d’une pile à combustible.

Figure 24.10 – Pile de type DMFC - Système minimal.

Figure 24.11 – Pile de type DMFC - Système à micropompe.

Figure 24.12 – Pile de type PEMFC - Alimentation par hydrure.

Figure 24.13 – Principaux composants d’un APU

Figure 24.14 – Pile de 100 kW de type SOFC

Figure 26.1 – Itération pour validation d’un modèle.

Figure 27.1 – Modélisation 1D des caractéristiques d’une pile de type DMFC.

Figure 27.2 – Modélisation 2D d’un assemblage membrane-électrode (AME).

Figure 27.3 – Influence du débit d’hydrogène sur la réaction à l’anode le long d’un canal.

Figure 27.4 – Décomposition de la section droite d’un canal en éléments simples.

Figure 27.5 – Distribution de la densité de courant à la cathode d’une pile de type PEMFC

Figure 27.6 – Tensions subies par une plaque bipolaire sous l’effet de la température et des charges externes

Figure 27.7 – Distribution des pressions et des profils de vitesse à travers les canaux de plaques bipolaires du côté de l’alimentation en air

Figure 27.8 – Sous-systèmes d’un véhicule utilisant une pile à combustible.

Figure 28.1 – Schéma simplifié de l’élaboration et application des normes.

Figure 29.1 – Limites d’inflammabilité.

Figure 29.2 – Simulation d’une fuite d’hydrogène (0,34 g/s) dans un garage après 100 s

Figure 29.3 – Simulation d’une fuite de 7 kg d’hydrogène dans un tunnel

Figure 29.4 – Simulation de la combustion d’hydrogène dans un tunnel

Tableau 30.1 – Une rencontre pile à combustible-moteur électrique aurait-elle pu se produire au moment de leur découverte (chronologie simplifiée) ?

Figure 30.1 – Véhicule à propulsion électrique avec pile à combustible.

Figure 30.2 – Configurations pour le groupe motopropulseur électrique.

Tableau 30.2 – Types de moteurs utilisés pour la propulsion.

Figure 30.3 – Moteur électrique de traction synchrone à aimant permanent et sa régulation électronique

Figure 30.4 – Principe du moteur-roue.

30.5. – Concept de moteur-roue eCorner

Figure 30.6 – Principe d’un supercondensateur

Figure 30.7 – Exemple de module de supercondensateurs

Figure 30.8 – Pile à combustible PEMFC de 75 kW Modèle Mark 902 de 2006 mesurant 80 × 37 × 25 cm

Figure 30.9 – Système de pile à combustible pour véhicule léger modèle 2006

Figure 30.10 – Pile à combustible PEMFC de 100 kW pour véhicule Honda FCX Clarity

Figure 30.11 – Évolution des piles à combustible utilisées pour différents modèles de Honda

Tableau 30.3 – Véhicules développés par Mercedes-Benz.

Figures 30.12 – DaimlerChrysler A-Class F-Cell

Figure 30.13 – Structure du système de propulsion du véhicule A-Class F-Cell

Figure 30.14 – Mercedes B-Class F-Cell modèle

Figure 30.15 – Honda FCX-Clarity

Figure 30.16 – Rendement d’un véhicule utilisant une pile à combustible.

Tableau 30.4 – Type d’hybridation avec pile à combustible.

Figure 30.17 – Poste de charge rapide pour véhicule électrique

Figure 30.18 – Programme CUTE de bus à pile à combustible.

Figure 30.19 – Bus Citaro utilisé pour les programmes CUTE et HyFLEET:CUTE

Figure 30.20 – Bus Citaro Hybrid

Figure 30.21 – Pile à combustible PEMFC de 150 kW pour bus

Figure 30.22 – Scooter alimenté par une pile à combustible de type PEMFC

Figure 30.23 – Scooter alimenté en hydrogène stocké dans des cartouches d’hydrures métalliques

Figure 30.24 – Station-service de distribution de cartouches d’hydrogène

Figure 30.25 – Cargobike

Figure 30.26 – Motocyclette ENV avec système de pile à combustible amovible

Figure 30.27 – Scooter Suzuki Burgman

Figure 30.28 – Module HYREX et véhicule utilitaire

Figure 30.29 – Sous-marin de type U 212

Figure 30.30 – Module de 9 piles à combustible de 34 kW

30.2.3. Bateaux électriques

Figure 30.32 – Bateau H2Yacht675 et équipement du modèle H2Yacht540

Figure 30.33 – Bateau Most’H

Figure 30.34 – Pile à combustible du bateau Most’H

Figure 30.35 – Moteur hors-bord avec pile à combustible externe

Figure 30.37 – Bateau touristique Zemship

Figure 30.38 – Composants du bateau Zemship

Figure 30.39 – Pile à combustible de type PEMFC de 48 kW pour bateau Zemship

Figure 30.40 – Station-service pour bateau Zemship

Figure 30.41 – Yacht Zéro CO2

Figure 30.42 – Pile à combustible et réservoirs d’hydrogène du yacht Zéro CO2

Figure 30.43 – Motoplaneur Antares DLR H2

Figure 30.44 – Simulation du motoplaneur Antares DLR H3

Figure 31.1 – Alimentation d’un camping-car par pile à combustible au méthanol

Figure 31.2 – Pile à combustible de type MCFC sur navire support

Figure 31.3 – Pile à combustible pour application maritime

Figure 31.4 – Pile à combustible installée sur un navire

Figure 31.5 – Plateforme du projet ELBASYS pour alimenter la roue avant d’un Airbus

Figure 31.6 – Pile à combustible ElectraGen™ utilisant du méthanol

Figure 32.1 – Système de cogénération pour habitat individuel.

Figure 32.2 – Besoins thermiques et électriques typiques sur l’année (habitation en zone tempérée).

Figure 32.3 – Unité de micro-cogénération domestique de type PEMFC et pile à combustible de 1,2 kW (photo de l’auteur et Ballard Power Systems).

Figure 32.4 – Unité de 5 kW de type PEMFC

Figure 32.5 – Unité de 1 kW de type SOFC

Figure 32.6 – Unité de micro-cogénération de 750 W. La pile à combustible se trouve sur la partie droite

Figure 32.7 – Unité de micro-cogénération de 1 kW équipée d’un moteur Stirling

Figure 32.8 – Unité Mobixane

Figure 32.9 – Module PEMFC pour application mobile ou stationnaire

Figure 32.11 – Unité HotModule de 250 kW électriques de type MCFC

Figure 32.12 – Unité SFC-200 modèle 2006 de 125 kW électriques de type SOFC avec la pile à combustible proprement dite au premier plan

Figure 32.13 – Module SOFC Bloom Box de 100 kW

Figure 32.14 – Structure schématique du module SOFC Bloom Box de 100 kW

Figure 32.15 – Unité de 1 MW de type PEMFC

Figure 32.16 – Schéma de l’unité « PureCell™ Model 400 » de 400 kW électriques de type PAFC

Figure 32.17 – Unité « Pure Cell Model 400 » installée sur l’île de Roosevelt Island à New-York et alimentant l’ensemble de 500 appartements Octagon Building

Figure 32.18 – Pile à combustible de 2,8 MW installée en Corée

Figure 32.19 – Représentation des différents éléments d’une pile à combustible de 2,8 MW

Figure 32.20 – Approche centralisée comparée à une approche de cogénération décentralisée.

Figure 32.21 – Production d’électricité sur l’île d’Utsira à partir de l’énergie éolienne

Figure 32.22 – Centrale électrique hybride

Figure 32.23 – Habitat autonome basé sur l’hydrogène

Figure 32.24 – Immeuble Abalone : équipements énergétiques

Figure 32.25 – Pile à combustible de 12,5 kW montée en rack

Figure 33.1 – Kit ludique avec pile à combustible à hydrogène

Figure 33.2 – Manuel d’expériences avec une pile à combustible (photo de l’auteur).

Figure 33.3 – Interface informatique pour kit ludique

Figure 33.4 – Kit éducatif Professional Pack

Figure 33.5 – Kit éducatif Instructor Training

Figure 33.6 – Banc didactique Bahia

Figure 33.7 – Simulation d’équipements d’un bateau sur banc Bahia

Figure 34.1 – Pile à combustible alimentée en hydrogène pour caméra vidéo professionnelle

Figure 34.2 – Famille de piles à combustible alimentée en méthanol

Figure 34.3 – Pile à combustible avec réservoir de méthanol

Figure 34.4 – Pile à combustible de type PEMFC de 1000 W

Figure 34.5 – Système complet de production et de stockage d’hydrogène

Figure 34.6 – Chargeur MiniPak avec cartouche d’hydrogène Hydrostick

Figure 34.7 – Prototype de pile à combustible au méthanol de 2004 alimentant un ordinateur portable

Figure 34.8 – Batterie du téléphone portable iPhone 4

Figure 34.9 – Système de chargeur à pile à combustible PowerTrekk et cartouche PowerPukk

Figure 34.10 – Système de chargeur à pile à combustible PowerTrekk pour téléphone portable

Figure 34.11 – Micro-modules SOFC de 1 W chacun

Figure 34.12 – Prototype de chargeur de 25 W utilisant des cartouches Campingaz. Le briquet donne l’échelle

Figure 34.13 – Micropile de type SOFC

Figure 34.14 – Extraits de presse des années 1999-2008.

Figure 35.1 – Alimentation portable de type DMFC

Figure B.1 – Publicité parue dans la revue Entropie de mars-avril 1967 pour une pile à combustible d’Alsthom.