Pile à combustible

Qu’est-ce qu’une pile à combustible  et comment fonctionne-t-elle ?

Le principe de la pile à combustible n’est pas nouveau, il a été mis en évidence il y a plus de 150 ans par deux chercheurs, Christian Friedrich Schönbein et Sir William Grove.

Il repose sur une réaction chimique simple :

Hydrogène + Oxygène → Electricité + Eau + Chaleur

2 H2             +            O2            →              2 H2O

La pile à hydrogène (également appelée pile à combustible) convertit l’énergie d’un combustible (l’hydrogène) en énergie.

Dans la pile, une réaction d’oxydoréduction se forme permettant de créer l’électricité et la chaleur. Au niveau de l’anode, la molécule d’hydrogène, au contact d’un catalyseur, se décompose et libère des électrons qui vont créer le courant électrique. C’est l’oxydation.

2 H  4 H+ + 4 e

D’autre part, au niveau de la cathode, l’oxygène, au contact avec les électrons libérés par la précédente réaction réagit. C’est la réduction.

O2 + 4 e–  →  2 O-2

Enfin, les protons hydrogène, lorsqu’ils arrivent à la cathode, se recombinent avec les ions d’oxygène et forment de l’eau.

4 H+ + 2 O-2  →  2 H2O

Cependant, même si le principe est simple, sa mise en application reste plus complexe.

Quand les piles à combustibles ont-elles été développées ?

La première pile à combustible a été réalisée à la fin du XIXème siècle et donnait une puissance de 1,5kW. C’est avec les travaux de Francis T. Bacon, dans les années 1930, que l’intérêt pour la pile à combustible est relancé. Celui-ci remplace l’électrolyte acide par un électrolyte alcalin.

L’amélioration des rendements et de la durée de vie de la pile qui en découle permet son utilisation dans des missions spatiales. Néanmoins, la technologie étant trop coûteuse, elle reste cloisonnée à des marchés de niche et est délaissée par l’industrie.

L’émergence des problématiques écologiques et l’engouement du secteur automobile au début des années 1990 relance la recherche pour cette technologie.

Dès lors, plusieurs types d’électrolytes sont testés et utilisés dans différents prototypes. La nature de l’électrolyte détermine la température de fonctionnement de la pile, donc leur application industrielle, et le rendement du système.

Quels sont les différents types de piles et leurs applications ?

On peut recenser entre autres :

  • Les piles alcalines (AFC, alkaline fuel cells) : utilisées principalement dans les missions spatiales Apollo, leur température de fonctionnement est limitée entre 65°C et 90°C. Elle peut monter jusqu’à 250°C sous pression avec un électrolyte très concentré. Son rendement est de l’ordre de 50%.
  • Les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC, proton exchange membrane fuel cell). Ces piles fonctionnent à faible température (inférieure à 100°C) avec un rendement de l’ordre de 50%. Elles ont la faculté de démarrer rapidement, à pleine puissance, ce qui permet d’alimenter en énergie les véhicules et installations de petite ou moyenne taille.

On trouve des piles PEMFC pour des gammes de puissance de quelques milliwatts à plusieurs centaines de kilowatts.

  • Les piles à acide phosphorique (PAFC, phosphoric acid fuel cell). La technologie PAFC est une des plus avancée en termes de développement et de commercialisation. Elle fonctionne entre 180°C et 210°C et permet d’alimenter des installations stationnaires de plusieurs mégawatts. La forte chaleur dégagée par la pile permet son utilisation pour la cogénération.
  • Les piles à carbonates fondus (MCFC, molten carbonate fuel cell). Leurs températures de fonctionnement sont assez élevées, entre 600°C et 700°C. Celles-ci sont utilisées pour faire fonctionner des grandes productions d’énergie stationnaire (plusieurs dizaines de MW). Elles possèdent un rendement assez élevé allant de 60% à 80% en fonction des applications.
  • Les piles à oxydes solides (SOFC, solid oxyde fuel cell). Ces piles fonctionnent à très haute température, entre 800°C et 1000°C ce qui permet d’améliorer considérablement les réactions cinétiques. Cela évite de devoir utiliser des catalyseurs à base de métaux rares. Cependant les cellules mettent plus de temps à démarrer et les températures très élevées dans le système nécessitent une très bonne isolation et des composants très résistants à ces températures. Elles sont principalement utilisées dans la production d’électricité stationnaire.