L'hydrogène, énergie non poluante et inépuisable, du XXIe siècle?

Les 750 milloins d'automobiliste en circulation sur la planète émettent 20% des gaz à effet de serre, et le pétrole n'est pas inépuisable. La pile à hydrogène, qui a fait ses preuves lors des missions Apollo, peut apporterune solutuion. Par éléctrolyse inverse, le mélange hydrogène-oxygène produit de l'éléctricité et rejette, sous forme de vapeur, une eau.....bonne à boire. Adieu gaz carbonique et dépendance énergetique ! Et en plus, ça roule. Daimler-Chrysler a pris la "pole position" de cette course à la voiture non poluante en casant une telle pile à combustble dans une petite Classe A.

1-Principe d'une pile à combustible

Lorsqu'en 1802 Sir Henry David énonce le principe de l'électrolyse inverse, il met en évidence la possibilité de produire de l'électricité à partir de la réaction chimique entre l'oxygène et l'hydrogène. Partant de ce procédé Sir W. Grove expérimente en 1839 la première pile à combustible (acide phosphorique) produisant de l'électricité et de l'eau .

Une pile à combustible est constituée d'un empilement d'éléments anode-électrolyte-cathode reliés par l'intermédiaire d'interconnecteurs (ou plaques bi-polaires) formant ainsi un " stack " (ou module)

Dans la pratique, la pile est constituée d'un grand nombre de ces modules qui sont raccordés électriquement en parallèle ou en série. Les gaz doivent être alors distribués à chacun de ces modules. 

Le comburant, côté cathodique, est réduit par les électrons provenant de l'anode et le combustible est oxydé côté anodique. Suivant le type de pile, un des deux ions formés traverse l'électrolyte pour réagir avec l'autre et former ainsi de l'eau. La réaction globale s'écrit : 

Le rendement de cette réaction n'étant pas de 100%, une partie de l'enthalpie libre de la réaction est libérée sous forme de chaleur ce qui permet de maintenir la pile en température . Dans les piles dites "haute température", l'excédent de chaleur peut être récupéré pour le chauffage (cogénération), voire même pour entraîner une turbine générant à son tour de l'électricité. Dans les piles dites "basse température", cet excédent de chaleur est inutilisable pour une application bien au contraire, il est nécessaire de l'évacuer à l'aide de systèmes annexes de refroidissement.

 Dans une pile à combustible, l'hydrogène (combustible) peut provenir d'un réservoir sous pression ou cryogénique. Il est aussi possible de l'obtenir après reformage d'un hydrocarbure comme le méthane ou d'un dérivé comme le méthanol. 

L'oxygène provient généralement de l'air qui, selon les piles, doit être purifié (décarbonatation, …) afin de ne pas empoisonner l'électrolyte ou les catalyseurs de certaines piles (KOH, platine, …). Si les premières piles ont été utilisées lors de la conquête spatiale (satellites et navettes américaines), les récents progrès dans les céramiques, les polymères et les catalyseurs les rendent aujourd'hui accessibles aux applications industrielles.

2-Tension délivrée par une pile

Les électrons apportés à l'anode et ceux consommés à la cathode sont à l'origine de la différence de potentiel que l'on peut retrouver aux bornes de la pile en fonctionnement .

La différence de potentiel théorique entre le potentiel d'une électrode à oxygène et celui d'une électrode à hydrogène est de 1,23 V en circuit ouvert (1,18 V pour la formation d'eau gazeuse) à 298 K. Cependant, cette différence de potentiel en circuit fermé est abaissée. Ceci est dû en partie à la cinétique des réactions électrochimiques et aux chutes ohmiques. Par exemple sous un courant de 100 mA/cm, à 80°C, on constate en général pour les piles alcalines de type ZEVCO que la tension délivrée n'est plus que de 0,70 V  abaissant le rendement Gpile de la pile.

3-Rendement énergétique

Non soumis aux limitations du cycle de Carnot, leur rendement théorique énergétique peut atteindre en théorie 1. Il correspond au rapport de l'enthalpie libre de la formation de l'eau DG° {équa. 1} sur l'énergie thermique DH° délivrée par la réaction.

En réalité ce rendement est de 83% lors de la formation de l'eau liquide (DH° = -283kJ/mol) et 95% pour l'eau gazeuse (DH° = -242kJ/mol) et ceci à 25°C. A des températures plus élevées (1000°C), ce rendement descend à 74%.

Ceci est un rendement énergétique maximal ne tenant pas compte de l'abaissement de la tension délivrée par la pile en circuit fermé.

La différence entre la tension en circuit ouvert E0 et fermé E(I) est la somme des surtensions G aux électrodes (Ga à l'anode et G c à la cathode) ainsi que les chutes ohmiques des différents composants de la pile (cathode RC, électrolyte RE, anode Ra, collecteur de courant RCC). 

Elle peut s'écrire comme étant [4] :

E(I) = E0 -(RC + RE + Ra + RCC)I-Ga-Gc

Le rendement potentiel devient G E = E(I)/E0

En plus des polarisations d'électrodes, d'autres causes viennent abaisser le rendement global comme le rendement faradique G f. Il est relatif au nombre d'électrons effectivement obtenu par les réactions électrochimiques. En général le rendement G f est de 1 avec le dihydrogène qui délivre 2 électrons. Mais dans le cas du méthanol (6 électrons en théorie) si l'oxydation s'arrête au formaldéhyde (2 électrons échangés) ou à l'acide formique (4 électrons) le rendement faradique est abaissé du même rapport. Du coté cathodique, dans certain cas, la formation d'eau oxygénée limite l'échange à 2 au lieu de 4 électrons.

Ce rendement faradique peut être affecté aussi par la présence d'une conductivité électronique au cœur de la pile parfois observée dans celle à électrolyte solide (coté anodique de l'électrolyte).

D'autres rendements doivent être comptabilisés comme le rendement matière G m qui tient compte du taux réel d'utilisation des réactifs. 

Le rendement système G s tient compte des périphériques et de leur fonctionnement (compresseur,…). Ils utilisent l'énergie délivrée par la pile.

Le rendement global est donc le produit de ces rendements :

G pile = G max.GE.Gf.Gm.Gs

Par exemple [2], une pile fonctionnant à 25°C sous 0,7 V, rejetant de l'eau gazeuse, utilise 90% de l'hydrogène admis et 20% de son énergie est autoconsommée par ses périphériques. Son rendement global est de :

Gpile = 0,95 * 0,7/1,18 * 1 * 0,9 * 0,8 = 40 % 

A titre de comparaison, le rendement des moteurs thermiques actuels est de 25 %.