Hydrogène : comment fonctionne une pile à combustible ?

La pile à combustible ou PAC est un générateur qui convertit directement un combustible en énergie. Découverte en 1839 par l'Allemand Christian Friedrich Schönbein, elle a ensuite été concrétisée par Francis T. Bacon dans les années 1930. Elle servira même à alimenter les missions spatiales Apollo. Sa déclinaison la plus courante est sans doute la pile à hydrogène.

SirEnergies vous propose sans plus tarder de découvrir le fonctionnement de la pile à combustible.

Comment fonctionne une pile à combustible à hydrogène ?

Le principe de fonctionnement d'une pile à combustible est connu depuis plus de 150 ans. Il repose sur le mécanisme d'oxydoréduction. La PAC comporte deux électrodes à savoir : une cathode réductrice et une anode oxydante. Ces deux éléments sont séparés d'un électrolyte central par des catalyseurs.

L'électrolyte peut être solide ou liquide et son rôle principal consiste à faciliter le passage des ions. La présence d'une membrane échangeuse de proton évite le contact entre les réactifs à l'anode et à la cathode et bloque le passage des électrons.

De même, un réservoir fournit en permanence l'anode et la cathode en combustible. Celui-ci peut être de l'hydrogène (autrement dit de l'air) dans le cas d'une pile à hydrogène.

L'anode provoque alors l'oxydation du combustible et la libération d'électrons. Ces derniers, sous la contrainte de l'électrolyte chargé en ions, passent par un circuit externe qui offre alors un courant électrique en continu. La réaction d'oxydation électrochimique de l'hydrogène à l'anode se présente comme suit : H₂ → 2H⁺ + 2e⁻.

À la cathode, les électrons et les ions se réunissent puis se recombinent avec le second combustible qui est généralement de l'oxygène. Cette réaction de réduction génère de l'eau, de la chaleur et du courant électrique.

La pile à combustible fonctionne ainsi en continu aussi longtemps qu'elle est approvisionnée. La réduction de l’oxygène de l’air à la cathode se déroule selon la réaction suivante : 1⁄2 O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O. La réaction globale qui s'opère dans la pile à combustible se présente comme suit : 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.

Les différents types de piles à combustible

On distingue différents types de piles à combustible selon le type d'électrolyte et de catalyseurs utilisés. Le rendement, la température de fonctionnement et les usages varient énormément d'un type à l'autre.

Si certaines PAC ne peuvent servir qu'à un usage stationnaire, d'autres, par contre, sont capables de fonctionner à des températures de l'ordre de 1 000 °C.

Les piles à membrane échangeuses de protons

Les piles à membrane échangeuses de protons ou PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) fonctionnent à faible température (généralement inférieure à 100 °C). Elles affichent un rendement de l'ordre de 50 %.

Ces piles présentent l'avantage de démarrer rapidement et à pleine puissance. Cela leur permet d'alimenter les véhicules (comme une voiture à hydrogène) ainsi que des structures stationnaires de petite taille. Les gammes de puissance de ces piles varient de quelques milliwatts à plusieurs centaines de kilowatts.

Les piles alcalines

Les piles alcalines ou AFC (alkaline fuel cells) sont essentiellement utilisées dans les missions spatiales Apollo. Leur température de fonctionnement optimale se situe entre 65 et 90 °C. Elle peut toutefois monter à 250 °C avec un électrolyte très concentré et sous pression. À l'instar des piles PEMFC, le rendement des piles AFC est de l'ordre de 50 %.

Les piles à acide phosphorique

Les piles à acide phosphorique ou PAFC (phosphoric acid fuel cell) font partie des PAC les plus avancées dans leur développement et leur commercialisation. Fonctionnant entre 180 et 210 °C, elles sont capables d'alimenter en énergie des installations stationnaires de plusieurs mégawatts. L'immense chaleur qu'elles génèrent lors de leur fonctionnement permet leur utilisation pour la cogénération.

Les piles à oxydes solides

Les piles à oxydes solides ou SOFC (solid oxide fuel cell) sont des PAC qui fonctionnent à des températures qui peuvent atteindre 800 voire 1 000 °C. Elles sont de ce fait utilisées pour améliorer sensiblement les réactions cinétiques.

Grâce aux piles SOFC, il est possible de faire l'impasse sur les catalyseurs à base de métaux rares. Toutefois, leur temps de démarrage relativement lent et leur haute température de fonctionnement nécessitent l'utilisation de composants très résistants à la chaleur. On les utilise principalement pour produire de l'électricité stationnaire.

Les piles à carbonates fondus

Les piles à carbonates fondus ou MCFC (molten carbonate fuel cell) affichent des températures de fonctionnement plutôt élevées (de 600 à 700 °C). Selon les applications, leur rendement assez élevé varie de 60 à 80 % et elles assurent le fonctionnement de grosses productions stationnaires.

En définitive, la pile à combustible est un générateur qui, grâce à une combustion électrochimique, produit de l'énergie. Son fonctionnement se base sur une simple réaction d'oxydoréduction entre une anode et une cathode réceptrice d’électrons, toutes deux séparées d'un électrolyte par des catalyseurs. Elle ne rejette aucun GES, ce qui en fait une alternative de choix actuellement si les problèmes relatifs à sa production sont réglés.

N’hésitez pas à consulter notre article complet sur l’hydrogène pour aller plus loin.

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