Pile à combustible

De l’énergie chimique à l’énergie électrique

Une pile à combustible (en fait un groupe de piles) possède essentiellement les mêmes types de composants qu’une batterie. Comme dans cette dernière, chaque cellule d’un système de pile à combustible possède une paire d’électrodes correspondante. Il s’agit de l’anode, qui fournit des électrons, et de la cathode, qui absorbe les électrons. Les deux électrodes doivent être immergées et séparées par un électrolyte, qui peut être un liquide ou un solide, mais qui doit dans tous les cas conduire les ions entre les électrodes afin de compléter la chimie du système. Un combustible, tel que l’hydrogène, est fourni à l’anode, où il est oxydé, produisant des ions hydrogène et des électrons. Un oxydant, tel que l’oxygène, est fourni à la cathode, où les ions hydrogène de l’anode absorbent les électrons de cette dernière et réagissent avec l’oxygène pour produire de l’eau. La différence entre les niveaux d’énergie respectifs aux électrodes (force électromotrice) est la tension par unité de cellule. La quantité de courant électrique disponible pour le circuit extérieur dépend de l’activité chimique et de la quantité des substances fournies comme combustibles. Le processus de production de courant se poursuit tant qu’il y a un approvisionnement en réactifs, car les électrodes et l’électrolyte d’une pile à combustible, contrairement à ceux d’une batterie ordinaire, sont conçus pour rester inchangés par la réaction chimique.

Une pile à combustible pratique est nécessairement un système complexe. Elle doit comporter des éléments destinés à stimuler l’activité du combustible, des pompes et des soufflantes, des conteneurs de stockage du combustible, ainsi qu’une variété de capteurs et de commandes sophistiqués permettant de surveiller et d’ajuster le fonctionnement du système. La capacité de fonctionnement et la durée de vie de chacune de ces caractéristiques de conception du système peuvent limiter les performances de la pile à combustible.

Comme dans le cas d’autres systèmes électrochimiques, le fonctionnement des piles à combustible dépend de la température. L’activité chimique des combustibles et la valeur des promoteurs d’activité, ou catalyseurs, sont réduites par les basses températures (par exemple, 0 °C, ou 32 °F). En revanche, les températures très élevées améliorent les facteurs d’activité, mais peuvent réduire la durée de vie des électrodes, des soufflantes, des matériaux de construction et des capteurs. Chaque type de pile à combustible a donc une plage de conception de température de fonctionnement, et un écart important par rapport à cette plage est susceptible de diminuer à la fois la capacité et la durée de vie.

Une pile à combustible, comme une batterie, est par nature un dispositif à haut rendement. Contrairement aux machines à combustion interne, dans lesquelles un combustible est brûlé et le gaz est détendu pour produire du travail, la pile à combustible convertit directement l’énergie chimique en énergie électrique. En raison de cette caractéristique fondamentale, les piles à combustible peuvent convertir les combustibles en énergie utile avec un rendement pouvant atteindre 60 %, alors que le moteur à combustion interne est limité à des rendements de 40 % ou moins. Ce rendement élevé signifie qu’il faut beaucoup moins de combustible et un récipient de stockage plus petit pour un besoin énergétique fixe. Pour cette raison, les piles à combustible constituent une source d’énergie intéressante pour les missions spatiales de durée limitée et pour d’autres situations où le carburant est très cher et difficile à obtenir. En outre, elles n’émettent pas de gaz nocifs tels que le dioxyde d’azote et ne produisent pratiquement pas de bruit pendant leur fonctionnement, ce qui en fait des prétendantes pour les centrales électriques municipales locales.

Une pile à combustible peut être conçue pour fonctionner de manière réversible. En d’autres termes, une pile hydrogène-oxygène qui produit de l’eau peut être conçue pour régénérer l’hydrogène et l’oxygène. Une telle pile à combustible régénérative implique non seulement une révision de la conception des électrodes mais aussi l’introduction de moyens spéciaux pour séparer les gaz produits. En fin de compte, les modules d’alimentation comprenant ce type de pile à combustible à haut rendement, utilisés conjointement avec de grands réseaux de capteurs thermiques pour le chauffage solaire ou d’autres systèmes d’énergie solaire, peuvent être utilisés pour maintenir les coûts du cycle énergétique à un niveau inférieur dans des équipements à plus longue durée de vie. De grands constructeurs automobiles et des entreprises de fabrication de machines électriques du monde entier ont annoncé leur intention de produire ou d’utiliser commercialement des piles à combustible dans les prochaines années.