7/6/2021

Pile à combustible : fonctionnement et enjeux

Les besoins en énergie sont importants dans notre société actuelle. Le secteur industriel de l’énergie assure cette production et fait face à de nouveaux enjeux.

Pour se réinventer et proposer des solutions innovantes, la pile à combustible, qui génère de l’énergie à partir de différents combustibles, est une alternative solide.

La pile à combustible permet de créer de l’électricité, de la chaleur ou de l’eau. Elle serait alors une précieuse avancée pour changer la façon dont on équipe nos habitations pour créer de l’électricité. Mais aussi dans d’autres domaines comme celui de la technologie pour l’alimentation des ordinateurs ou des téléphones.

Elle s’inscrit dans les préoccupations liées à l’utilisation d’énergies plus propres avec un impact environnemental moins important.

Par exemple, il n’est plus rare aujourd’hui de voir des flottes de bus dans nos centres-villes qui rejettent de la vapeur d’eau à la place du CO2. En effet, certains modes de transports électriques fonctionnent aujourd’hui grâce à une pile à combustible et à l’utilisation de l’hydrogène et de l’air. Une révolution dans le marché de la mobilité et des transports.

Dans cet article, nous allons revenir sur ce qu’est une pile à combustible et son histoire à travers les siècles. Nous verrons également les différents types de piles qui existent et enfin les enjeux autour de leur utilisation.

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Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?

Définition pile à combustible

La pile à combustible, aussi appelée PAC, est une pile qui permet de fabriquer de l’énergie. Par son biais, un combustible, comme l’hydrogène, peut être transformé directement en énergie, eau ou chaleur.

La pile s’appuie sur une réaction chimique qui va permettre de créer en continu un courant électrique. La pile à combustible fonctionne en créant un mécanisme d’oxydoréduction.

Une pile à combustible est composée de trois éléments : 

  • une anode oxydante qui va émettre des électrons
  • une cathode réductrice qui va collecter des électrons
  • un électrolyte qui sert à conduire des molécules ionisées d’une part et de faire barrage aux électrons de l’autre

Il existe un grand nombre de piles à combustibles différentes. C’est la nature de leur électrolyte qui va déterminer la température de fonctionnement d’une pile et donc son utilisation.

Dans la pratique, les piles à combustibles sont source d’énergie autonome pour les vols spatiaux, les satellites ou servent encore pour créer des générateurs dans les sous-marins.

Aujourd’hui, les piles à combustibles sont prometteuses dans bien des domaines comme la production d’énergie ou le transport écologique. C’est une alternative sérieuse à l’utilisation du pétrole pour produire de l’énergie par exemple. Elle permettrait aussi de réduire nos émissions de gaz à effets de serre.

Histoire de la pile à combustible

Les premiers travaux de recherches qui exploraient les prémices du principe de fonctionnement de la pile à combustible remontent à la fin du XIXème siècle. C’est l’allemand Christian Schönbein, qui, en travaillant sur le phénomène de catalyse hétérogène, a permis de décomposer l’eau. Une première étape vers la pile.

Suite à cette découverte, les premiers modèles de l’ancêtre de la pile à combustible sont réalisés par William R. Grove en laboratoire. La première pile à combustible qui porte ce nom et la forme que l’on retrouve encore aujourd’hui est l'œuvre de Ludwig Mond et Carl Langer en 1889.

Enfin, ce n’est finalement qu’en 1959 que les travaux sur la pile à combustible sont repris par Francis T.Bacon. Il réalisera les premiers prototypes qui seront utilisés comme modèles pour des missions spatiales.

On explique cette longue période d’errance entre les premières études et le premier modèle final par le coût que représentaient les matériaux utilisés pour constituer une pile à combustible. De plus, on le sait bien, les énergies électriques se sont développées par d’autres moyens.

C’est finalement à partir des années 1990 que la technologie de la PAL réapparaît au cœur des recherches grâce à l’essor du secteur automobile.

Les différents types de piles à combustibles

Il existe différents types de piles à combustibles. Cela va conditionner leur usage futur et leur domaine d’application.

On classe ces piles en fonction de la nature de leur électrolyte qui permet de faire circuler les ions : les piles à combustibles à électrolytes acides ou basiques.

Les piles à combustibles à électrolytes acides

Les piles à combustible à électrolytes acides fonctionnent en faisant circuler les ions positifs de l’anode à la cathode.

On en dénombre trois :

  • les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
  • les DMFC (Direct methanol Fuel Cell)
  • les PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

Les piles à hydrogène PEMFC

Ces piles à hydrogène sont composées d’un électrolyte qui peut fonctionner à des températures comprises entre 20 et 100°C ce qui correspond à des faibles températures.

Le rendement de ces piles est intéressant et surtout, elles démarrent rapidement à pleine puissance.

Leur usage peut être l’alimentation en énergie de véhicules électriques de taille moyenne.

 

Les piles à méthanol DMFC

Les piles DMFC pour Direct Methanol Fuel Cell ou piles à méthanol utilisent le méthanol comme combustible.

Elles fonctionnent également en faisant circuler des protons d’hydrogène de l’anode à la cathode grâce à une membrane solide en polymère.

Ces piles sont utilisées pour la production énergétique de capacité moyenne.

 

Les piles à acide phosphorique PAFC

Les piles à acide phosphorique PAFC sont différentes des deux premières. Cette fois, l’électrolyte n’est pas un élément solide mais un élément liquide sous la forme de l’acide phosphorique.

Elles fonctionnent entre 150°C et jusqu’à 200°C et sont destinées à apporter des réponses aux besoins de production d’énergie importants.

 

Les piles à combustibles à électrolyte basique

Les piles à combustibles à électrolyte basique se caractérisent dans leur fonctionnement par la circulation d’ions négatifs qui se déplacent de la cathode vers l’anode.

On en dénombre trois sortes différentes :

  • les AFC (Alkaline Fuel Cell)
  • les MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
  • les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell)

 

Les piles à potasse liquide AFCC

Ce type de pile est le système le plus ancien qui existe inspiré des travaux de F.T Bacon. C’est d’ailleurs pourquoi la NASA a utilisé les piles à potasse lors des missions Apollo.

Les piles AFCC sont composées d’un électrolyte liquide alcalin. Elles peuvent fonctionner à des températures larges de 25 à 260°C. Pour les utiliser, il faut disposer d’hydrogène et d'oxygène pur. C’est pourquoi ses usages sont limités car cela demande une logistique importante.

 

Les piles à carbonates fondus MCFC

Les piles à carbonates utilisent des carbonates de lithium et de potassium fondus pour assurer la circulation des ions.

Elles fonctionnent à hautes températures (entre 600°C et 700°C) avec un fort rendement jusqu’à 80% en fonction de leurs applications.

Elles sont utilisées principalement dans des applications de production d’énergie stationnaire.

 

Les piles à combustibles à oxyde solide SOFC

Les piles à oxyde solide sont constituées de plusieurs couches en céramique. Elles fonctionnent à très haute température, entre 800°C et 1000°C.

On les utilise dans la production d’électricité stationnaire notamment dans des installations type chaudières.

Usages et enjeux de la pile à combustible

Les piles à combustibles, aussi variées soient-elles dans leur fonctionnement et leurs usages, offrent de belles perspectives dans bien des domaines.

Les usages de la pile à combustible aujourd’hui

La pile à combustible est déjà utilisée dans de nombreux secteurs et son usage va se démocratiser dans les années à venir.

Voici les secteurs concernés par l’essor de la PAC :

  • transports et transports en commun (véhicules électriques, vélo électrique, trottinettes électriques, bus, train, camions)
  • électronique (téléphone portable, ordinateurs)
  • production d'électricité (cogénération)
  • défense (sous-marin)
  • spatial (navettes spatiales)

Pour le cas des transports en commun, ces piles alimentent aujourd’hui des voitures électriques ou des bus hydrogènes. On note aussi une innovation du côté des trains avec la mise en circulation du premier train à hydrogène en Allemagne (Alstom Coradia iLint) en 2018. Il est alimenté par une pile à hydrogène qui produit son énergie grâce à la traction.

💡 À lire aussi si ce sujet vous intéresse : Avion hydrogène, avenir du transport aérien ? ou Qu'est-ce qu'un moteur à hydrogène ?

En ce qui concerne l’électricité, les piles à combustibles sont utilisées pour la production combinée de chauffage et d'électricité, ce qu’on appelle la cogénération. Par exemple comme une source d’assistance électrique (pour remplacer les groupes électrogènes), voire pour alimenter des bâtiments publics en substitution aux chaudières.

Les enjeux autour de l’utilisation des piles à combustibles

Si la pile à combustible suscite un regain d’intérêt depuis les années 2000, elle devrait se démocratiser considérablement dans les années à venir.

Jusque-là, le principal frein à son essor restait son coût. D’autres raisons bloquaient également son développement : la sécurité des piles et la logistique pour les utiliser. En effet, les premiers modèles étaient encombrants.

Aujourd’hui, le coût des matériaux reste élevé mais cette technologie est très innovante et constitue un pari d’avenir grâce à son faible impact environnemental.

La pile à hydrogène a de nombreux avantages :

  • De sa production à sa consommation, elle ne rejette pas ou peu de CO2
  • C’est une technologie silencieuse contrairement aux turbines ou moteurs classiques
  • Elle permet de bons rendements énergétiques : les piles nécessitent donc moins de combustible
  • La diversité de modèles de piles permet une utilisation dans un grand nombre de secteurs
  • Nécessite peu d’entretien

 

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