Pile à combustible : fonctionnement, avantages et inconvénients

Une pile à combustible, ou PAC, est un générateur énergétique. Appliqué au domaine de la mobilité, elle permet de transformer l’hydrogène en électricité pour animer une voiture, un bus ou un camion.

Le principe de la pile à combustible a été découvert en 1839 par le chercheur d'origine germanique Christian Schönbein. Il a ensuite été concrétisé sous la forme d'un prototype par Sir William Grove quelques années plus tard. À la fin du 19ème siècle, le générateur prend sa forme actuelle et il faut attendre les années 30 pour que Francis Thomas Bacon relance des recherches sur la pile à combustible. L'ingénieur britannique met au point un premier prototype de 1 kilowatt en 1953, puis un second de 5 kilowatts en 1959. Son invention sert par la suite de modèle pour concevoir les piles à combustible utilisées dans le cadre des missions spatiales Apollo de 1961 à 1972.

Trop onéreuse, cette technologie demeure réservée durant de nombreuses années à des marchés de niche. Il faudra attendre les années 90, et l'émergence de divers problèmes écologiques, pour que les industriels s'intéressent enfin aux piles à combustible.

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Comment fonctionne une pile à combustible ?

Le fonctionnement d'une pile à combustible découle d'une réaction nommée oxydoréduction. Le cœur d'une pile comprend trois éléments : deux électrodes (une anode oxydante qui émet des électrons et une cathode réductrice qui collecte des électrons) et un électrolyte qui les sépare.

L'électrolyte central a la capacité de transmettre des molécules chargées d'ions d'une électrode à l'autre et de les bloquer pour les faire ensuite transiter par le circuit externe de la pile, ce qui permet de se servir de leur énergie électromotrice.

Un réservoir approvisionne par ailleurs les deux électrodes en combustible. S'il s'agit d'une pile à combustible à hydrogène, l'anode va recevoir de l'hydrogène et la cathode de l'oxygène.

L'anode oxyde le combustible, puis libère des électrons que l'électrolyte va forcer à passer par un circuit externe. Celui-ci génère un courant électrique continu. Ce processus est appelé "oxydation".

De son côté, l'oxygène présent dans la cathode va réagir au contact des électrons libérés par la réaction décrite précédemment. Il s'agit d'une "réduction" qui produit de la chaleur et de l'eau.

Pour que la catalyse s'effectue correctement lors de cette procédure, on dépose généralement du platine en fines couches sur chaque électrode (en plus grande quantité sur la cathode). Ce métal est cependant rare et onéreux, ce qui impacte négativement la compétitivité des piles à combustible. Pour solutionner ce problème, plusieurs recherches sont menées à l'heure actuelle sur des nanomatériaux favorisant la catalyse.

Quels sont les différents types de piles à combustible ?

On dénombre actuellement six grands types de piles à combustible :

• AFC (Alcaline Fuel Cells) : ces piles alcalines fonctionnent à une température très limitée comprise entre 65 et 90 degrés Celsius. Utilisées dans le cadre des missions Apollo, elles offrent un rendement de 50 %.
• PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) : ces piles à membranes échangeuses de protons bénéficient d'un démarrage rapide et puissant. Fonctionnant à faible température (entre 20 et 100 degrés Celsius), elles servent généralement à alimenter des véhicules ou des installations de petites dimensions.
• DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) : ces piles sont alimentées par du méthanol. Celui-ci est injecté sur leur anode grâce à de l’eau. Son oxydation suite à la catalyse génère des ions H+, ainsi que du gaz carbonique.
• PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells) : issues d'une technologie récente, ces piles à acide phosphorique peuvent fonctionner jusqu'à 210 degrés Celsius. La chaleur très importante qu'elles produisent permet de les utiliser pour une cogénération. Elles alimentent généralement des structures stationnaires dotées d'une puissance de plusieurs dizaines de mégawatts.
• MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) : ces piles à carbonates de potassium et de lithium fondus fonctionnent à des températures supérieures comprises entre 600 et 700 degrés Celsius. Leur rendement va de 60 à 80 %. Elles servent à alimenter d'importantes installations énergétiques stationnaires.
• SOFC (Solid Oxyde Fuel Cells) : ces piles à oxydes solides fonctionnent à une température encore plus forte que la catégorie précédente (entre 800 et 1000 degrés Celsius). Démarrant lentement et nécessitant des composants pouvant résister à des températures très élevées, elles permettent de générer de l'électricité stationnaire.
   

Comment sont utilisés les piles à combustible ?

Les domaines d'application des piles à combustible sont très diversifiés. Au niveau de la mobilité, elles servent par exemple à propulser des voitures, ainsi que des bus et des navires.

Comme nous l'avons vu plus haut, les piles à combustible peuvent également servir à la génération stationnaire d'électricité ou à la cogénération de chaleur et d'électricité. Elles équipent enfin les sous-marins et les satellites.

Chacun de ces usages nécessite une puissance, une température et un combustible (hydrogène, oxygène, méthanol…) distincts et qui correspondent à un type spécifique de pile.

Fonctionnant à faible température, les AFC, PEMFC et DMFC produisent au maximum quelques dizaines de kW. On les utilise donc généralement pour alimenter des véhicules ou des appareils mobiles. Les PAFC fonctionnent quant à eux à moyenne température. Leur puissance va de 50 à 200 kW. Étant modulables, elles peuvent servir de générateurs de secours stationnaires de 10 mégawatts. Les MCFC et SOFC fonctionnent à température très élevée et délivrent une grande puissance. Elles servent notamment à alimenter en chaleur et en électricité des habitations ou des structures industrielles.


 

Les avantages de la pile à combustible

Les piles à hydrogène présentent de nombreux avantages. En premier lieu, elles ne dégagent aucune émissions locales (hormis de l’eau), ce qui constitue un atout de taille pour la qualité de l’air, notamment dans les centres urbains.

Elles offrent également des rendements supérieurs à un moteur thermique (mais inférieur à une batterie), sont silencieuses, peuvent être modulées, supportent des températures allant jusqu'à 1000 degrés Celsius (dans le cas des piles SOFC) et peuvent être utilisées pour des applications très variées.
 

Les inconvénients de la pile à combustible

Le coût est le principal inconvénient de la pile à combustible. Comme expliqué plus haut, l’usage de matériaux chers et les volumes de production encore limités ne permettent pas de diminuer les prix de façon suffisante.
A cela s’ajoutent la problématique de la durée de vie, jugée encore insuffisante pour des applications larges.

Sur le volet environnemental, la question de la source énergétique doit aussi être posée. Si une pile à combustible affiche un fonctionnement « zéro émission », la source d’énergie en amont doit être évidemment prise en compte. Gris, bleu, vert… selon sa couleur, l’hydrogène est plus ou moins émetteur en CO2.