Tout sur la pile à combustible, sources d’énergie autonome

Avez-vous déjà entendu parler de la pile à combustible ? Ce n’est pas un hasard si ce nom ne vous est pas familier bien que son existence remonte à presque deux siècles. C’est le moment ou jamais pour vous cultiver et de découvrir tout ce qu’il faut savoir concernant cette petite merveille en matière d’alimentation autonome.

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Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?

Une pile à combustible sert à convertir de l’énergie chimique issue de la réaction d’oxydo-réduction en énergie électrique, en chaleur et également en eau.

Pour cela, le cœur de la pile à combustible est divisé en trois éléments bien distincts : deux électrodes dont une anode oxydante qui émet des électrons et une cathode réductrice qui reçoit les électrons émis ainsi que l’électrolyte qui les sépare.

Ce dernier conduit directement de l’anode à la cathode des molécules ionisées tout en faisant barrage aux électrons en les forçant à passer par le circuit extérieur de la pile, là où leur énergie devient exploitable.

Une pile à combustible est alimentée grâce à une injection de manière continue de combustible depuis l’anode. Celui principalement utilisé est l’hydrogène. La cathode est, à son tour, fournie en oxygène et la combustion des deux éléments produit la réaction d’oxydo-réduction. De l’énergie électrique se crée alors aux bornes de la pile.

Quelle est son origine ?

La première pile à combustible voit le jour vers la fin des années 1830 grâce à un chercheur dénommé William R. Grove en utilisant à l’époque de l’acide sulfurique comme électrolyte.

Ce n’est que près d’un siècle plus tard, vers les années 1930, que Francis T. Bacon reprend les études concernant les principes de la pile à combustible. Après des années de recherche, il développe un premier prototype doté d’une puissance de 1 kW en 1953 et de 5 kW en 1959. Le potassium a désormais remplacé l’acide sulfurique.

L’efficacité de son invention attirera d’ailleurs l’attention de la NASA qui dote ses engins spatiaux de ces fameuses piles à combustible. Pour information, le célèbre module spatial Apollo a été équipé de piles à combustibles lors de ses nombreux déplacements dans l’espace.

L’écart d’environ un siècle entre la découverte de la pile et son évolution est dû au développement rapide des autres types de générateurs de courant électrique ainsi que par la cherté des matériaux nécessaires à l’élaboration d’une pile à combustible.

Quels sont les différents types de piles à combustibles ?

Il existe 6 différents types de piles à combustible.

Le premier est le Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou PEMFC. Son électrolyte se compose d’une membrane en polymère qui fonctionne entre 20 et 100 °C. Elle émet vers la cathode les ions H+ issus de l’oxydation catalytique de l’hydrogène depuis l’anode.

Le Direct Methanol Fuel Cell ou DMFC reprend le même principe, mais utilise du méthanol au lieu de l’hydrogène.

Le Phosphoric Acid Fuel Cell ou PAFC se sert, par contre, d’acide phosphorique comme électrolyte. Elle fonctionne jusqu’à 200 °C.

L’Alkaline Fuel Cell ou AFC libère l’ion OH- suite à une réduction catalytique depuis la cathode.

Le Molten Carbonate Fuel Cell ou MCFC utilise du carbonate de lithium ainsi que du potassium fondu comme électrolyte pour transporter les ions négatifs.

Enfin, le Solid Oxyd Fuel Cell ou SOFC utilise de l’électrolyte solide, de la zircone pour faire migrer les ions négatifs.

Domaines d’utilisation de la pile à combustible

Les piles à combustible touchent de nombreux domaines d’utilisation qui sont principalement le transport, l’alimentation des appareils portatifs, le domaine de l’aérospatial et naval, notamment pour équiper les sous-marins.

Les PEMFC, les DMFC et l’AFC possèdent des puissances allant jusqu’à une centaine de kilowatts. Ces familles de piles conviennent parfaitement au transport et aux appareils portables.

Les MCFC et les SOFC possèdent un rendement électrique plus important, pouvant produire une puissance allant jusqu’à 100 MW. Elles servent à la production massive d’électricité.

Les PEMFC et les SOFC bénéficient d’une étendue très vaste d’applications possibles et suscitent une attention particulière de la part des chercheurs actuels.

Conclusion

Bien que la pile à combustible ne soit pas une découverte récente, elle peut constituer l’avenir de l’alimentation. De nombreux véhicules électriques en sont d’ailleurs équipés et les chercheurs y consacrent de plus en plus de budget dans la recherche et le développement de piles plus performantes et moins chères afin de les exploiter pleinement dans le futur.