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Les piles à combustible

Dernièrement, deux sites majeurs de la communauté Mac francophone ont parlé de l'introduction de piles à combustibles dans les ordinateurs portables.

MacBidouille et MacGénération relaient tous deux l'information de la création d'un prototype chez NEC qui aurait une autonomie actuelle de 5 heures pouvant atteindre, à terme, les 40 heures.

Ce genre de nouvelle est toujours réjouissante car les piles à combustible sont très probablement l'avenir du stockage d'énergie. De plus elles s'appliquent aussi bien aux ordinateurs qu'aux voitures par exemple.

Pour essayer de mieux comprendre les tenants et aboutissants de cette technologie, je vais tenter par un bref exposé de vous donner quelques informations la concernant.

Petite introduction

On le sait, la pollution est actuellement un fléau. Les sources d'énergies actuelles sont pour la plupart insatisfaisantes, en particulier celles basées sur l'utilisation de pétrole. Elles induisent une très forte pollution, ont un très faible rendement et les sources ne sont pas inépuisables (pour ne pas dire bientôt épuisées).

Il est donc impératif de trouver des nouvelles sources d'énergie pouvant remplacer les sources actuelles. Ces dernières devront toutefois répondre à plusieurs critères, le principal étant que leurs performances soient au moins équivalentes à celles des sources actuelles. Dans le cas d'une automobile par exemple, il faut une source ayant une autonomie d'environ 500 km et un temps de recharge de quelques minutes (temps d'un plein). Les véhicules électriques actuels (avec piles à base de plomb ou de nickel-cadmium) ne répondent pas à ces critères et ne sont donc pas économiquement viables.

De même, la fabrication de ces sources d'énergie ne doit pas être plus polluante que les sources actuelles. Le cas des cellules solaires est un exemple critique: leur utilisation est très écologique, mais actuellement leur fabrication demande énormément d'énergie, les rendant finalement pas si écologiques que ça.

La pile à combustible est très certainement la solution à tous ces problèmes. Le principe fut inventé par Sir William Grove, pasteur anglais, en 1839.

Comment ça marche ?

J'imagine que la plupart d'entre vous connaissent le principe de l'électrolyse. C'est une expérience classique des cours de chimie à l'école. Le principe est simple: en faisant passer un courant électrique entre deux électrode plongées dans l'eau, on dissocie la molécule H2O et on produit de l'oxygène et de l'hydrogène. Un petit schéma se trouve . Pour les amoureux de la chimie voici les réactions qui ont lieu à la cathode et à l'anode:

L'idée de base de la pile à combustible est de faire l'inverse: faire réagir l'oxygène de l'air avec de l'hydrogène en produisant ainsi un courant électrique et de l'eau.

Bien sûr ce n'est pas si simple car le deuxième principe de la thermodynamique interdit ce genre de réaction sans aide extérieure. C'est pourquoi il faut recourir à un "convertisseur électrochimique" que l'on appelle également "pile à combustible".

Une pile à combustible est formée de deux électrodes (cathode et anode) séparées par un électrolyte. Plusieurs types d'électrolytes peuvent être utilisés, il peut être liquide (potasse caustique KOH, acide phosphorique) ou solide (polymère conducteur, céramique ZrO2 dopée avec Y2O3). Voici par exemple le schéma de fonctionnement d'une pile à base de KOH:

Dans ce cas ce sont des ions OH- qui se déplacent dans l'électrolyte et qui sont responsables du courant. Dans le cas d'un électrolyte solide de type PEM (Proton Exchange Membrane) ce sont les ions H+ qui remplissent ce rôle.

Et ça marche ?

En fait ça marche plutôt bien !

Les piles à combustible ont été utilisées avec succès dans les véhicules spatiaux habités comme Gemini, Apollo ou la navette spatiale.

Dans le cas d'une automobile par exemple, la pile utilisée serait de type polymère solide (PEMFC, proton exchange membrane fuel cell). Une telle pile fonctionne à environ 70¡. En juxtaposant 350 cellules de 250 cm2 (soit une surface totale d'environ 9 m2 mais que l'on peut empiler pour gagner de la place), on obtiendrait une source de 35 kW, soit environ 47 chevaux. En reliant cela à des supercapacités, on peut obtenir jusqu'à 20 kW supplémentaire pendant quelques minutes (pour accélérer par exemple).

Avantages et inconvénients

Les avantages sautent tout de suite aux yeux: production d'eau (donc non-polluant), combustible bon marché et inépuisable, meilleur rendement.

L'inconvénient que l'on peut entrevoir est le stockage de l'hydrogène qui est inflammable. Mais ce danger n'en est pas un car il n'y a pas dans ces piles de grands réservoirs d'hydrogène. Ce sont au contraire beaucoup de petits réservoirs qui préviennent tout risque d'explosions. Pour voir encore plus loin dans l'avenir, sachez que certains groupes de recherche travaillent au stockage de l'hydrogène dans des nanotubes de carbone (sujet sur lequel travaillais il y a quelques années). Ces nanostructures sont très résistantes et sont des réservoirs parfaits pour ce genre d'applications (mais c'est de la musique d'avenir). Je vous en dirai peut-être plus sur ces nanotubes de carbone dans une future humeur sur Cuk.

Pour recharger la batterie: il suffit de rajouter un peu d'électrolyte et d'hydrogène et le tour est joué. C'est aussi simple que de remplir le réservoir de sa voiture.

Conclusion

Le fait que NEC possède un prototype fonctionnel est très réjouissant car j'ai vraiment le sentiment que ces piles à combustibles sont l'avenir du stockage d'énergie, leur plan d'avoir une autonomie de 40h me semble très réaliste, imaginez le bonheur de pouvoir travailler 40h avec votre portable sans devoir le recharger !

Il ne reste maintenant plus qu'à vaincre les lobbys pétroliers et à sortir la première voiture réellement écologique. La technologie existe, il faut juste l'appliquer.

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