Le CO₂, une source d’énergie pour demain ?

Partie 3. Étude d’une pile à combustible au méthanol

Source : Claude LAMY, Michel CASSIR, Daniel HISSEL, Gilles TAILLADES. Principe des piles à combustible - Piles à membranes basse température [en ligne]. In : Techniques de l’ingénieur. Référence D3340 V2 Paris : Techniques de l’ingénieur, 2023. 

Le but de cette partie est de développer une utilisation de l’énergie chimique obtenue à partir du CO2 (stockée ici sous forme de méthanol) pour produire de l’électricité. Pour cela, la piste de la pile à combustible au méthanol avec un rendement énergétique en conditions réversibles (équilibre) proche de 100% est privilégiée à celle utilisant un moteur thermique couplé à un alternateur pour lequel ce rendement ne dépasse pas 45%.

L’étude porte sur une pile à oxydation directe du méthanol (DMFC : direct methanol fuel cell) constituée de 2 compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons qui joue à la fois le rôle de milieu acide et de séparateur. 

a) Les couples mis en jeu présentent les potentiels standards suivants : E°CO2/CH3OH=0,02V  E°O2/H2O=1,23V(298K). En déduire les demi réactions à chaque électrode, écrites dans le sens de fonctionnement de la pile ainsi que la réaction d’oxydoréduction globale de fonctionnement.
figure 3

b) Compléter le dessin de cette pile avec la nature (anode, cathode), la polarité des électrodes ainsi que le sens de circulation des porteurs de charge. On peut noter que, le méthanol réémet la molécule de CO2 dont il était issu.

c) Les électrodes sont souvent à base de platine (recouvert d’un dépôt catalytique pour augmenter la cinétique des réactions aux électrodes). Pourquoi le platine ?

d) A quoi sert la membrane échangeuse de protons dans la pile au méthanol ?

e) Écrire la formule de Nernst à chaque électrode en notant a(CH3OH) l’activité du méthanol et en remplaçant les activités des gaz par leur pression partielle et l’activité de l’eau par 1. En déduire la constante d’équilibre de la réaction de fonctionnement de la pile.

f) Quelle masse de méthanol est nécessaire au fonctionnement journalier d’une pile débitant en moyenne un courant de 100 mA?

g) La densité du méthanol à 25°C vaut 0,792. Calculer la densité d’énergie volumétrique (MJ/L) et gravimétrique (MJ/kg) en admettant que l’énergie chimique transformée en énergie électrique dans la pile vaut dans les conditions standard  n.F.(E°a-E°c) avec :

  • n le nombre de moles d’électrons échangés
  • F le Faraday : charge d’une mole d’électrons (montrer que F ≈ 96500 C)
  • E° les potentiels standard à l’anode et à la cathode (Conseil : travailler sur une mole de méthanol)
 h) Placer le méthanol de la pile DMFC sur le graphique des densités d’énergie. Expliquer sa très grande densité d’énergie volumétrique comparée à celle de la pile à hydrogène

Dans les principales applications actuelles ou à venir, la DMFC est utilisée comme source d'énergie externe pour recharger une batterie dans des applications mobiles.

i) Après une utilisation prolongée des piles, le taux de conversion du méthanol en CO2 est de l’ordre de 95%. Le reste étant constitué d’acide méthanoïque et de traces de méthanal. Écrire la demi-équation d’oxydation du CO2 en acide méthanoïque. Quelle est la conséquence sur la quantité d’électricité produite ?

Un autre problème des DMFC est lié à la perméabilité de la membrane à la traversée du méthanol.

j) Quelle est la conséquence de ce problème ?