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LES PILES A COMBUSTIBLES
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En 1839, un avocat anglais, Sir William GROVE, chercheur amateur en électrochimie, découvre le principe de la pile à combustible. A l'exception de quelques tentatives de développement à la fin du XIXème siècle, on en restera à cette curiosité scientifique durant pratiquement une centaine d'années. Elle trouvera sa première application concrète 130 ans plus tard dans les programmes spatiaux Gemini et Apollo. Durant les années 1930, un autre scientifique anglais, F. T. BACON entreprend de développer un dispositif opérationnel à partir de l'expérience de Grove. Ses travaux aboutissent vingt ans plus tard à la réalisation d'une pile d'une puissance d'un kilo Watt. Toute fois, la découverte et l'industrialisation de la dynamo mirent au placard la pile à combustible jusqu'aux années 1960. La consécration ne surviendra qu'en 1965 quand on apprend que les astronautes des cabines Gemini consomment l'eau produite par les générateurs électriques de leur vaisseau. Ces générateurs sont les premières piles à combustible ayant une utilisation réelle. Les réalisations de Bacon suscitent un intérêt scientifique et industriel considérable et des programmes de recherche sont initiés dans les principaux pays développés. PRINCIPES DE BASE Comment fonctionne une pile à combustible, quelle est sa différence avec une batterie ? Toutes les deux sont des récipients contenant des produits provoquant une réaction chimique qui engendre de l'électricité. La batterie est constitué de deux barres de plomb, trempant dans de l'eau acidulée. A vide, on note un excès d'oxygène su le pole positif. Relié à un circuit externe, les deux barres sont recouvertes de la même quantité d'oxyde de plomb PbO. la batterie est alors déchargée. On la recharge en la branchant à une dynamo, par exemple. Mais c'est assez compliqué et on ne peut l'effectuer pendant qu'elle débite, qu'il fonctionne. La pile à combustible est rechargeable en
permanence ou a intervalle régulier, même pendant son débit. Première conséquence, la naissance d'un
courant électrique allant de la plaque négative, la cathode, à la plaque
positive , anode, à travers l'hydroxyde. 400 g de combustible suffisent à produire 1 kWh. la pile est trois fois moins lourde qu'une batterie, à puissance égale et deux fois moins encombrante. Autre avantage, elle fonctionne aussi longtemps que l'on l'alimente avec du carburant. Elle est aussi plus puissante et moins dangereuse. Pour l'astronautique et les vols habités, elle permet la production d'électricité et d'eau en même temps. DES PILES HYDROX POUR L'ESPACE Les piles développées pour Gemini sont des PEMFC (piles à membrane échangeuse de protons) qui comme son nom l'indique possèdent une membrane organique sélective aux protons qui joue le rôle d'électrolytique et de séparateur physique entre les deux électrodes d'une cellule élémentaire. Cette membrane résiste mal aux hautes températures nécessitant de la faire fonctionner en dessous de 100°C. Ces piles sont relativement compactes, on un temps de démarrage court par rapport aux autres technologies. C'est General Electric qui les développe au début des années 1960. Pour les besoins spatiaux notamment pour le voyage vers la lune, la firme développe une pile capable d'assurer l'énergie électrique du vaisseau durant le trajet lunaire soit 14 jours. Le modèle PB2 n'étant pas encore opérationnel, les premières cabines Gemini volent avec des batteries classiques. Le modèle P3 vole sur Gemini 5 mais elle tombe rapidement en panne au cours du vol. Toutes les autres cabines embarqueront le modèle P3, sauf Gemini 6 pour sa mission de 2 jours.
Piles de type PEMFC de General Electrics embarqué sur Gemini, (63 cm de long pour 31 cm de diamètre). Elle est constitué de 3 compartiments de 32 cellules capable de fournir une puissance de 1kW (Gemini demande 650 W). La chaleur générée par la pile est évacuer par circulation froide.
Le passage des ions (H+, OH-, ...) sous une forme plus ou moins hydratée, se fait au travers de l'électrolyte sous l'effet du champ électrique créé. Dans le cas de la réaction la plus généralement utilisée, on produit donc, à partir d'hydrogène et d'oxygène, de l'eau, de l'électricité et de la chaleur (signe des irréversibilités du processus) : on peut considérer que le processus s'apparente à la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau. L'alimentation de chaque cellule élémentaire se fait par des canaux qui se chargent aussi d'évacuer éventuellement les sous produits des réactions. Une partie de la difficulté de la conception des piles à combustible est liée à la création de zones actives, qui doivent mettre en présence à la fois le gaz réactif, les électrons, les protons et le catalyseur. Cette condition est remplie si l'électrolyte recouvre le catalyseur (le plus souvent du platine), et si le gaz diffuse à travers les électrodes. Ceci est réalisé si l'on utilise des électrodes poreuses. L'énergie récupérable du système correspond à l'énergie libre de Gibbs et équivaut dans les conditions standard à 25°C (298 K) à 237 kJ/mole de H2. L'avantage essentiel d'une pile à combustible pour la production d'électricité réside dans le fait que son rendement de conversion reste très élevé, non limité par le rendement de Carnot. Il surpasse largement les résultats des meilleurs systèmes thermodynamiques classiques, de type turbine ou moteur à gaz. Attention : Il faut alimenter en continu en oxygène et en hydrogène la pile sinon la pile ne produira plus d'électricité. Il faut veiller à évacuer l'eau au fur et à mesure qu'elle se forme, sinon l'eau peut endommager gravement l'électrolyte qui ne fonctionnera plus et donc plus d'électricité non plus.
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