Pile à combustible : qu’est-ce que c’est ?

D’une manière générale, la pile à combustible est une alternative écologique à l'énergie électrique. C'est d'ailleurs pour cela qu’elle intéresse de nombreux chercheurs depuis plusieurs décennies. Les études de ces derniers ont montré qu'elle est très avantageuse pour la protection de l'environnement. Elle consomme des gaz et ne produit que de l'eau et de la chaleur pour alimenter un appareil. Cependant, son coût d'exploitation élevé constitue un obstacle à son utilisation sur les téléphones, les voitures et les trains pour enfin réduire la pollution atmosphérique. Focus sur la pile électrique.

Qu'est-ce qu'une pile électrique ?

La pile à combustible est une pile constituée de deux électrodes séparées par un électrolyte. Les deux électrodes permettent de collecter des électrons au niveau de la cathode réductrice et d'émettre des électrons au niveau de l’anode oxydante. Quant à l'électrolyte, elle permet le transport des molécules ionisées d’une électrode à l'autre. La production de l'énergie électrique passe par une réaction d’oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur et une réduction sur une électrode d'un oxydant. La réaction est accélérée par un catalyseur qui est souvent le platine. En d'autres termes, c'est une réaction d'oxydo-réduction qui se fait par transformation d'énergie chimique en énergie électrique plus de l'eau et de la chaleur.

Les différents types de piles à combustible

Du fait de leur abondance, les éléments les plus utilisés sur les piles à combustible sont le dihydrogène comme réducteur et le dioxygène comme oxydant. La pile à combustible la plus courante est donc la ‘’pile à dihydrogène-dioxygène’’. Cependant, Il existe d'autres types de pile à combustible qui se distinguent par la nature de leurs électrolytes et leur domaine d'application. Certaines sont à électrolyte acide et conduisent les ions positifs de l'anode à la cathode. D’autres sont basiques et fonctionnent dans le sens inverse.

En tout, il existe six types de piles à combustible, à savoir :

  • les PEMFS (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) : après injection de l'hydrogène sur l'anode, l'électrode transmet de manière sélective les ions H+ formés par oxydation catalytique de cet hydrogène vers la cathode. Ces piles utilisent une membrane solide polymère qui fonctionne à basse température (20 à 100 °C)
  • les PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) : elles utilisent de l’acide phosphorique liquide dans une matrice solide poreuse qui fonctionne jusqu'à 200 °C ;
  • les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) : ces piles utilisent le méthanol comme combustible à la place de l'hydrogène. Elle est injectée directement sur l’anode en association avec de l’eau pour produire des ions H+ et du gaz carbonique
  • les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) : elles produisent des ions O2+ par exploitation d'électrolyte solide tel que le Zircon
  • les AFC (Alkaline Fuel Cell) à potasse liquide : elles utilisent l’ion OH- par oxydation catalytique sur la cathode
  • les MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) : elles fonctionnent par migration des ions CO32- rendu possible en faisant fondre des carbonates de potassium ou de lithium.

Les trois premiers types de piles sont à électrolyte acide et les trois dernières sont à électrolyte basique.

Quels sont les domaines d’application des piles à combustible ?

Les domaines d'application des piles se résument en quatre catégories. Il s'agit des transports, les appareils électroménagers, la production stationnaire d'électricité (parfois la cogénération chaleur / électricité) puis la défense sous-marine et spatiale.

Les appareils électroménagers et les transports utilisent les types de pile qui fonctionnent à basse température tels que les PEMFC, les DMFC et les AFC. Pour le domaine de la production stationnaire, les piles à acide phosphorique sont plus appropriées. Elles fonctionnent à moyenne température avec des puissances de 50 à 200 kW. Elles peuvent aussi être assemblées en générateur stationnaire avec des puissances de 10 MW.

Concernant la cogénération chaleur/électricité, les piles à haute température telles que les SOFC (800 à 1000 °C) et les MFC (650 °C) permettent la production massive d'électricité et de chaleur. Elles pourront ainsi servir à l'alimentation dans l'habitat et l'industrie. En effet, les SOFC sont compatibles avec plusieurs combustibles et peuvent fournir des puissances allant jusqu'à 100 MW.

L'essentiel étant dit, vous savez dorénavant tout sur les piles à combustible. Malgré leur large domaine d'application, leur utilisation comme la solution écologique d'énergie reste encore limitée. Cela se justifie par le fait que leur exploitation exige d'importants moyens financiers. Des progrès sur le coût des matériaux doivent donc être effectués avant d'espérer une utilisation générale de la pile à combustible comme alternative à l'énergie électrique courante.