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Les piles à combustible (fuel cells en anglais) sont des piles qui génèrent leur électricité grâce à une réaction chimique: un combustible réducteur subi une oxydation sur une électrode tandis qu'un deuxième combustible, oxydant, subi une réduction sur la seconde électrode. On peut voir le principe de la pile à combustible comme l'inverse de l'électrolyse. La tension produite est de l'ordre de 0,7 – 0,8V en fonction de la charge.
La technologie des piles à combustible est présentée comme une solution d'avenir pour divers applications, en particulier pour les véhicules électriques. La découverte de l'effet "pile à combustible" date de 1839 par le scientifique allemand Christian Friedrich Schönbeim est la première démonstration d'une pile est attribuée au scientifique gallois Sir William Robert Grove.
L'application concrète de ce principe dans une pile remonte à l'aventure des missions Gemini, grâce aux travaux réalisés par General Electric Company en collaboration avec la NASA. Par la suite les missions Apollo ont utilisé des piles à combustible basées sur des prototypes réalisés dès 1953 par l'ingénieur britannique Francis T. Bacon.
Le type de pile à combustible la plus étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air. La réaction de d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur, généralement du platine.
Cependant la technologie des piles à combustibles est très diversifiée puisque le processus de réaction peut être réalisé du plusieurs façon, de plus des combustibles de natures différentes sont utilisés. Certaines variantes de piles à combustible sont commercialisées, d'autres sont en plein développement. Voici un bref aperçu des variantes avec leurs avantages et inconvénients.
Les types de piles à combustible
Une méthode pour classer les piles à combustible est de considérer le type d'électrolyte utilisé. Voici les principales familles :
La pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC)
Entre les deux électrodes on place une membrane qui fait office d'électrolyte, elle bloque les électrons et laisse passer les ions (H+).
Elles sont développées en particulier pour des applications dans les transports aussi bien que pour des applications dans les portables.
La pile à oxyde solide (SOFC)
La membrane échangeuse de protons est remplacée par une membrane à oxyde solide. Ici ce n'est plus les protons H+ qui traversent la membrane mais les ions oxydes O-2
Cette variante fonctionne uniquement à très haute température (600°-800°C), et sa fabrication est plus coûteuse. Elles sont généralement réservées à des application à forte puissance.
La pile à carbonate fondu (MCFC)
Ces piles fonctionne à partir d'une température de 600° et plus, elles offrent une plus grandes efficacités parmi tous les types de piles à combustible et ne sont pas sujettes aux problèmes de matériaux à haute température qui affectent la technologie des piles à combustible à oxyde solide.
La pile à acide phosphorique (PAFC)
Ces piles utilisent l'acide phosphorique comme électrolyte, c'est la technologie utilisée historiquement par l'inventeur William Grove.
Avec une gamme de fonctionnement de 150 à 200 °C, l'eau produite peut être convertie en vapeur pour le chauffage de l'air et de l'eau. Les PAFC sont habituellement utilisées dans des applications stationnaires, en régime continu et stable. Elles continuent aujourd'hui à dominer le marché des piles à combustibles sur sites.
Les différents combustibles
Le combustible le plus répandu est le dihydrogène / dioxygène cependant parmi les nombreuses variantes de piles à combustible ont trouve des piles fonctionnant avec divers hydrocarbures.
Il existe une famille de piles alimentées par du méthanol ou encore de l'éthanol. Ces piles présentent l'inconvénient de rejeter du CO2 et même du CO.