Une pile à combustible est comme une batterie en ce sens qu’elle produit de l’électricité à partir d’une réaction électrochimique.
Une pile à combustible, utilise une source externe d’énergie chimique et peut fonctionner indéfiniment, tant qu’elle est alimentée par une source d’hydrogène et une source d’oxygène (généralement de l’air). La source d’hydrogène est généralement appelée le combustible, ce qui donne son nom à la pile à combustible, bien qu’il n’y ait pas de combustion. L’oxydation de l’hydrogène a lieu de manière électrochimique et très efficace. Au cours de l’oxydation, les atomes d’hydrogène réagissent avec les atomes d’oxygène pour former de l’eau ; au cours de ce processus, des électrons sont libérés et circulent dans un circuit externe sous forme de courant électrique.
Les piles à combustible peuvent varier de minuscules dispositifs produisant seulement quelques watts d’électricité, jusqu’à de grandes centrales électriques produisant des mégawatts. Toutes les piles à combustible sont basées sur une conception centrale utilisant deux électrodes séparées par un électrolyte solide ou liquide qui transporte des particules chargées électriquement entre elles. Un catalyseur est souvent utilisé pour accélérer les réactions aux électrodes. Les types de piles à combustible sont généralement classés en fonction de la nature de l’électrolyte qu’ils utilisent. Chaque type nécessite des matériaux et des combustibles particuliers et convient à des applications différentes.
Dans le domaine de l’énergie, la majeure partie de l’hydrogène est utilisée par le biais de piles à combustible (PC). Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui combine l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’électricité, avec de l’eau et de la chaleur comme sous-produits. Dans sa forme la plus simple, une pile à combustible unique se compose de deux électrodes – une anode et une cathode – avec un électrolyte entre elles. À l’anode, l’hydrogène réagit avec un catalyseur, créant un ion chargé positivement et un électron chargé négativement. Le proton passe ensuite dans l’électrolyte, tandis que l’électron se déplace dans un circuit, créant ainsi un courant. À la cathode, l’oxygène réagit avec l’ion et l’électron, formant de l’eau et de la chaleur utile.
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC)
Les SOFC utilisent un composé céramique dur et non poreux comme électrolyte. Comme l’électrolyte est solide, les cellules n’ont pas besoin d’être construites dans la configuration en forme de plaque typique des autres types de piles à combustible. Les SOFC devraient avoir une efficacité d’environ 50 % à 60 % pour convertir le carburant en électricité 15 .
Elles fonctionnent à des températures très élevées, généralement entre 500 et 1 000 °C. À ces températures, les SOFC ne nécessitent pas de matériau catalytique en platine coûteux, comme c’est actuellement le cas pour les piles à combustible à plus basse température telles que les PEMFC, et ne sont pas vulnérables à l’empoisonnement du catalyseur au monoxyde de carbone (désactivation par des impuretés). Cependant, la vulnérabilité au soufre a été largement observée et le soufre doit être éliminé avant d’entrer dans la cellule par l’utilisation de lits d’adsorbants ou d’autres moyens.
Les SOFC ont une grande variété d’applications allant des unités de puissance auxiliaires dans les véhicules à la production d’énergie stationnaire, avec des rendements de 100 W à 2 MW. La température de fonctionnement plus élevée fait des SOFC des candidats appropriés pour des utilisations avec des dispositifs de récupération d’énergie des moteurs thermiques ou de la chaleur et de l’électricité combinées, ce qui augmente encore le rendement global du carburant.
Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, également connues sous le nom de piles à combustible à électrolyte polymère ou PEMFC, fournissent une densité de puissance élevée et présentent plusieurs avantages liés à son faible poids et volume, par rapport aux autres FC 15 . Les PEMFC utilisent une membrane polymère comme électrolyte, et des électrodes en carbone poreux contenant un catalyseur en platine. Ces types de CF n’ont besoin que d’hydrogène, d’oxygène de l’air et d’eau pour fonctionner, et leur fonctionnement n’implique pas de fluides corrosifs comme certains autres CF. Elles sont généralement alimentées par de l’hydrogène pur fourni par des réservoirs de stockage.
Elles fonctionnent à basse température, environ 80°C, et elles sont adaptées aux applications de mobilité et à d’autres utilisations qui nécessitent une demande initiale élevée de puissance, qui est de haute densité.
À ce jour, les PEMFC ne fonctionnent pas à haute température en raison de la détérioration des membranes actuelles, étant une limitation pour certaines applications de FC. Leur fonctionnement à basse température présente un avantage important mais aussi quelques inconvénients. Le principal avantage est que le CF peut rapidement atteindre la température de fonctionnement à partir de la température ambiante. Le principal problème est le fait qu’ils nécessitent la présence d’un catalyseur en platine pour pouvoir fonctionner, ce qui augmente les coûts. En outre, le catalyseur au platine est également très sensible à l’empoisonnement au CO, ce qui rend obligatoire l’utilisation d’un réacteur supplémentaire pour réduire le CO dans le gaz combustible si l’hydrogène provient d’un alcool ou d’un hydrocarbure. Cette étape rend ce type de CF plus coûteux. Les efforts de recherche pour réduire ou même supprimer l’utilisation du platine sont en cours et la quantité de platine utilisée dans les CF PEM a déjà diminué de façon très importante. En outre, le catalyseur en platine peut être recyclé.
Aujourd’hui, la pile à combustible PEM est le choix consensuel pour l’application de transport routier (voiture, bus, camions, etc. ) Les PEM sont également utilisées dans certaines applications stationnaires.
Piles à combustible alcalines
Les piles à combustible alcalines (PAC) ont été l’une des premières technologies de PAC développées, et elles ont été le premier type largement utilisé dans le programme spatial américain.US pour produire de l’énergie électrique et de l’eau à bord des engins spatiaux 13 .
Ces PAC utilisent une solution d’hydroxyde de potassium dans l’eau comme électrolyte, et peuvent utiliser une variété de métaux non précieux comme catalyseur à l’anode et à la cathode. Les AFC haute température fonctionnent à des températures comprises entre 100°C et 250°C. Cependant, les nouveaux modèles d’AFC fonctionnent à des températures plus basses, de 23°C à 70°C environ. Le rendement d’une PAC alcaline fonctionnant à l’hydrogène pur est de 60 %.
L’un de leurs avantages est que l’eau produite est potable et sont actuellement les piles à combustible les moins chères à fabriquer 14 . La raison réside dans les matériaux relativement peu coûteux utilisés comme catalyseur sur leurs électrodes, par rapport aux catalyseurs tels que le platine nécessaires pour d’autres types de CF.
L’une des limites des CFC, est qu’elles sont sensibles au dioxyde de carbone (CO 2 ) qui peut être présent dans le carburant ou dans l’air. Le CO 2 réagit avec l’électrolyte pour former un carbonate qui peut diminuer la conductivité.
Actuellement, ce type de CF est testé pour des applications d’énergie stationnaire.
Piles à combustible au méthanol direct (DMFC)
Les DMFC sont alimentées par du méthanol pur, qui est mélangé à de la vapeur et introduit directement dans l’anode de la pile à combustible. Leur nouveauté réside dans le combustible utilisé. L’anode peut être alimentée en méthanol liquide ou en vapeurs de méthanol, tandis que la cathode reçoit de l’air. Les DMFC appartiennent à la famille des piles à combustible à basse température. Elles peuvent être considérées comme une évolution de la PEMFC, car elles utilisent une membrane polymère comme électrolyte. Cependant, le catalyseur platine-ruthénium sur l’anode de la DMFC est capable de tirer l’hydrogène du méthanol liquide, éliminant ainsi le besoin d’un reformeur de carburant. Par conséquent, le méthanol pur peut être utilisé comme carburant.
Les DMFC ont des températures de fonctionnement comprises entre 60°C et 130°C et ont tendance à être utilisées dans des applications ayant des besoins modestes en énergie, comme les appareils électroniques mobiles ou les chargeurs et les blocs d’alimentation portables 19 .
Les DMFC pourraient également être une alternative aux PEMFC et aux réservoirs de stockage de H 2 embarqués dans les véhicules. Dans cette ligne, des projets récents visent à démontrer l’utilisation de piles à combustible fonctionnant au méthanol comme d’éventuels prolongateurs d’autonomie pour les petites voitures urbaines électriques à batterie.
Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC)
Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) utilisent de l’acide phosphorique liquide comme électrolyte (l’acide est contenu dans une matrice de carbure de silicium liée au téflon) et des électrodes de carbone poreux qui contiennent un catalyseur en platine.
Les APFC ont été développés au milieu des années 60 et testés depuis les années 70. Depuis lors, des caractéristiques telles que l’instabilité, la performance et le coût ont été améliorées. Ces caractéristiques ont fait des PAFC de bons candidats pour les applications stationnaires.
Elles fonctionnent dans une plage comprise entre 150 °C et 200 °C, l’eau résultant du fonctionnement peut être convertie en vapeur pour le chauffage de l’air et de l’eau (chaleur et électricité combinées, CHP). Cette caractéristique permet d’augmenter le rendement jusqu’à 70 %. À des températures plus basses, l’acide phosphorique est un mauvais conducteur ionique, et l’empoisonnement par le CO du catalyseur en platine de l’anode devient important. Cependant, elles ont l’avantage d’être beaucoup moins sensibles au CO que les PEMFC et les AFC. Les PAFC admettent les combustibles qui contiennent du CO et peuvent même tolérer une concentration de CO d’environ 1,5 %, ce qui augmente la gamme des combustibles utilisables (remarque : si l’on utilise de l’essence, il faut d’abord éliminer le soufre).
Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC)
Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) sont en cours de développement pour les centrales électriques au gaz naturel (GN) et au charbon, pour des applications électriques, industrielles et militaires. Les MCFC fonctionnent à haute température et utilisent un électrolyte composé d’un mélange de sels de carbonate fondu en suspension dans une matrice céramique poreuse d’oxyde de lithium et d’aluminium (LiAlO 2 ) chimiquement inerte. Comme les MCFC fonctionnent à des températures extrêmement élevées (650 °C et plus), les catalyseurs n’ont pas besoin d’être des métaux précieux comme le platine, ce qui rend les MCFC plus abordables 20 .
Elles ont un rendement de 60 % lorsqu’elles produisent de l’électricité et de 85 % si elles sont utilisées en cogénération. Les avantages du fonctionnement à haute température est qu’il y a une augmentation des rendements et permet l’utilisation de catalyseurs qui sont moins coûteux ; cependant, de telles températures élevées raccourcissent la durée de vie utile de la FC et favorisent la corrosion. Les MCFC peuvent fonctionner avec des combustibles tels que le gaz naturel, le biogaz, le gaz de synthèse, le méthane et le propane.
Les inconvénients comprennent une faible densité de puissance et l’agressivité de l’électrolyte.