En quoi les test sur les piles à combustible sont essentiels ?

Une pile à combustible (ou PAC) est un générateur d'énergie qui permet la conversion d'une énergie chimique en énergie électrique, associée à l'émission d’eau et de chaleur. Le principe de la PAC est l’inverse de l’électrolyse (conversion d’énergie électrique en énergie chimique). L'énergie chimique émise au sein de l’électrolyseur s'appelle l'oxydoréduction.

Les piles à combustible les plus courantes sont les piles à combustible dihydrogène-dioxygène, dites couramment « piles à hydrogène ». En effet, l’hydrogène est une ressource particulièrement abondante et la production du dihydrogène est un procédé connu et simple.

La pile à combustible requiert un approvisionnement en combustible, l'hydrogène. Elle permet ainsi de transformer l'hydrogène en électricité, principalement dans les voitures électriques.

Zoom arrière sur l’histoire de cette technologie… Le principe de la pile à combustible a été découvert en 1838 par le scientifique d’origine allemande Christian Schönbein.

À cause de la rareté et du coût élevé des matériaux utilisés (utilisation d’une fine couche de platine sur les électrodes, pour catalyser la réaction chimique), il aura fallu attendre 1953 pour que le premier prototype d'une puissance de 1000 watts soit réalisé par Francis T. Bacon qui a repris les études de ses prédécesseurs sur la pile à combustible.

C'est ce premier prototype qui donnera naissance aux PAC des missions spatiales Apollo.

Une pile à combustible est constituée de 2 électrodes baignant dans un électrolyte conducteur.

• une cathode qui reçoit les électrons ;
• une anode qui émet des électrons.

Schéma fonctionnement pile à combustible :

Des ions sont ainsi échangés entre les 2 électrodes via l’électrolyte. Si celui-ci est acide, il conduit les ions positifs de l'anode vers la cathode ; si l’électrolyte est basique, les ions négatifs circulent en sens inverse.

L'alimentation de la pile s'effectue par l'anode en injectant un combustible de manière continue, en général de l'hydrogène. Les bornes de la pile à combustible fournissent alors une énergie électrique continue.

Il existe 6 types de piles à combustible. Selon leurs caractéristiques, les domaines d’utilisation seront différents, de l’alimentation d’un véhicule à une installation stationnaire de cogénération.

Petit tour d’horizon des nombreux points positifs de la pile à combustible.

• Le procédé est propre (si le combustible est de l’hydrogène et du dioxygène), il ne produit que de l’eau ;
• Le rendement énergétique se situe entre 40 et 50 % : les piles à combustibles sont économiques (elles nécessitent peu de combustible) et écologiques (réduction de l’émission de gaz à effet de serre) ;
• Elles disposent d’un faible encombrement grâce à la miniaturisation et n’engendrent aucune émission de bruit (diminution de la pollution sonore) ;
• Elles fonctionnent à température réduite : alors que la température atteint 800 à 1000°C dans un moteur thermique, elle ne dépasse pas les 110°C dans une pile à combustible ;
• Elle nécessite peu de maintenance (pas de frottements, donc pas d’usure engendrée).

Problème n°1 : le coût des matières premières et le coût de production

L’inconvénient majeur de ce type de technologie est son coût global. Tout d’abord, son coût de production qui reste élevé puisque la fabrication ne s’effectue pas en gros volumes. Ensuite le coût des matières premières nécessaires à sa fabrication, le platine étant un métal rare et cher.

Problème n°2 : l’origine et l’utilisation de l’hydrogène comme combustible

Au-delà du fait que l’hydrogène ait mauvaise réputation à cause des risques d’explosion largement évoqués dans la presse, l’utilisation de l’hydrogène pour augmenter ce marché n’aurait de sens que s’il était vert. Or, plus de 90 % de l’hydrogène utilisé comme combustible dans les piles à combustible provient de l’énergie fossile, donc à grand renfort de dioxyde de carbone… Le développement franc et massif de cette technologie va donc de pair avec la production d’hydrogène vert.

Les tests de caractérisation permettent de tester et valider une conception de pile à combustible, par des essais sur bancs. Ils sont indispensables à la mise en œuvre d’une technologie qui puisse être déployée à une échelle industrielle. Peuvent être testés :

• Les différents composants,
• L’empilement des modules,
• Les matériaux des membranes,
• Les dispositifs de contrôle commande, etc.

Les laboratoires ou plateformes d’essai fournissent des moyens de caractérisation tels que :

• Édition de courbes de polarisation
• Spectroscopie d’impédance électrochimique et spectrométrie de masse,
• Voltamétrie cyclique ou à balayage linéaire,,
• Chromatographie, etc.

L’optimisation du fonctionnement des moteurs s’effectue aujourd’hui de manière incontournable par des méthodes de simulation. Les calculateurs sont fiables, précis, rapides et permettent une reproduction des simulations à l’infini.

Tous les états de fonctionnement peuvent être simulés (démarrage à froid, fonctionnement nominal, transitoire ou critique), sans risque d’incident ou de dégradation de coûteux bancs d’essai. Le logiciel peut aussi simuler différents types de membranes et de réactions chimiques, ainsi que différents types d’empilement de modules.

Le fabricant EA Elektro-Automatik propose des solutions pour :

• Caractériser les paramètres d’un système de PAC ;
• Quantifier leur performance de sortie ;
• Réaliser les tests de durabilité.

Son générateur de fonctions simplifie la création de formes d’ondes pour le test de perturbation. Ses alimentations et charges permettent une pleine puissance sur une large gamme de tests de fonctionnement pour les piles à combustibles.

Les tests sur bancs d’essai, les simulations et les essais de caractérisations sont donc essentiels à la poursuite du développement de la technologie de la pile à combustible, en vue d’une fabrication en série à grande échelle et d’une exploitation sécurisée, dans un excellent rapport coût / bénéfice.

N’hésitez pas à consulter notre autre article qui vous explique les différents tests effectués sur les piles à combustible tout au long de leur durée de vie.