1.6.4. La pile à méthanol direct (DMFC)
:
Il ne faut pas confondre cette pile avec les piles qui
utilisent du méthanol (ou éthanol) comme source
d'hydrogène par le reformage externe (la pile à méthanol
indirect). La DMFC est une PEMFC utilisant du méthanol comme carburant,
le méthanol est alors directement en contact avec l'anode, à
laquelle les réactions suivantes se produisent (à des
températures de fonctionnement ne dépassant jamais
100°C):
A l'anode on a:
CH3OH + H2O
·6 H+ + 6 e- + CO2
et à la cathode on a:
O2 + 6 H+ + 6 e-
·6
H2O
Il est important de noter que dans une DMFC, ce sont les
protons qui se déplacent de l'anode à la cathode et non les
molécules de méthanol. Tout comme c'est le cas chez la PEMFC,
cette pile à combustible utilise un électrolyte
polymérique échangeur d'ions, cependant ces membranes ne sont pas
avantageuses pour bloquer le passage du méthanol. Le mouvement des
protons dans la membrane est associé à la teneur en eau de la
membrane. Le méthanol et l'eau ayant des propriétés
comparables (moment dipolaire), les molécules de méthanol sont
aussi bien transportés vers la cathode que les molécules d'eau
par un processus de drag
osmotique. A la cathode, le méthanol cause un
mélange de potentiels dus à l'interférence entre les
réactions d'oxydation du méthanol et de réduction de
l'oxygène. Cela a pour effet une baisse des performances de la pile. La
traversée du méthanol à travers la membrane dépend
de plusieurs facteurs, les plus importants étant la
perméabilité (et donc proportionnel à l'épaisseur)
de la membrane, la concentration en méthanol, la température de
fonctionnement, et les performances de l'anode elle-même. La membrane est
un facteur très important dans le problème de la traversée
du méthanol ; une membrane fine permet d'avoir une résistance de
la pile moins importante, mais elle tend à avoir une plus grande
perméabilité au méthanol. Une membrane épaisse est
donc avantageuse dans le cas des piles au méthanol.
Comme pour les PEMFC, les plaques bipolaires sont faites de
graphite, de métal ou de matériaux composites. Le catalyseur
à l'anode est composé d'un mélange de ruthénium et
de platine qui empêche l'empoisonnement par le monoxyde de carbone, qui
est l'intermédiaire dans la réaction. [1,2]
1.6.5. La pile à oxyde solide (SOFC) :
Le principe de fonctionnement des SOFC est basé sur le
mécanisme suivant: l'oxygène est dissocié à la
cathode en O2 -, puis l'anion migre à travers l'électrolyte
conducteur ionique à haute température et va se combiner à
l'anode avec l'hydrogène, ou le monoxyde de carbone, pour former de
l'eau et libérer des électrons. Les réactions mises en jeu
sont les suivantes:
A l'anode, avec un catalyseur au cermet de zirconium et nickel on
a la réaction: 2 H2 + 2 O2 - ?2 H2O + 4 e-
ou:
2 CO + 2 O2 - 2 CO2 + 4 e-
et à la cathode, dans les deux cas, à l'aide d'un
catalyseur au manganite de luthane dopé au strontium, on a la
réaction:
O2 + 4 e- ?2 O2-
La caractéristique principale des SOFC réside
donc dans leur haute température de fonctionnement (700 à 1 000
°C) nécessaire à l'obtention d'une conductivité
ionique suffisante de l'électrolyte céramique. Cette
température présente un double avantage. Elle permet d'abord
l'utilisation directe d'hydrocarbures, qui pourront être facilement
reformés en se passant de catalyseur à base des métaux
nobles. Elle produit d'autre part une chaleur élevée facilement
exploitable en cogénération, le rendement pouvant atteindre ainsi
80%. Mais elle
présente également un inconvénient, la
mise en température est longue et complique toute utilisation à
cycles courts et répétitifs (comme dans le cas des
transports).
Pour ces raisons, la technologie SOFC se prête
particulièrement bien à la production d'électricité
décentralisée et à la cogénération (domaines
couvrant des puissances allant de 1 kW à quelques dizaines de MW).
Grâce à son fort rendement et sa capacité potentielle
à fonctionner directement avec des hydrocarbures liquides, elle trouvera
également un débouché dans la propulsion navale, voire
terrestre (trains, camion...). La mise au point de ce type de pile implique, de
part cette haute température de fonctionnement, la résolution des
problèmes thermomécaniques de tenue des matériaux assez
complexes, ainsi que d'assemblage et d'étanchéité.
Une des particularités de la SOFC est son
électrolyte solide, habituellement du Zirconium (Zr2) dopé d'une
mole de 8 à 10% d'ytterbium (Y3+), lequel joue le rôle de
conducteur pour l'anion oxygène (O2 -). Les SOFC peuvent être de
conceptions plane, monolithique et tubulaire, et utiliser de l'acier
inoxydable, de l'acier austénitique, des matériaux
céramiques selon les températures de fonctionnement et
l'électrolyte désiré. [1,2]
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