Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?
Découverte par Sir William Grove durant l’année 1839, la pile à combustible se présente comme un dispositif électrochimique. Il permet de transformer la chaleur de combustion d’un combustible spécifique directement. N’étant pas limité par le principe de Carnot, ce processus génère de l’électricité avec des rendements de conversion optimisés. Le combustible en question sera par ailleurs oxydé électrochimiquement au niveau d’une anode. Quant à l’oxygène contenu dans l’air (l’oxydant), il sera réduit au niveau d’une cathode. Seule de l’eau est produite du fonctionnement d’une PAC, en plus de la chaleur et de l’électricité. Les détails dans cet article.
Les aspects cinétiques et thermodynamiques de son fonctionnement
La pile à combustible adopte un principe de fonctionnement reposant sur 2 processus distincts. L’un consiste en l’oxydation d’un combustible tel que l’hydrogène. L’autre se présente comme la réduction d’un comburant, généralement l’oxygène. Cette oxydo-réduction permet de produire en simultané de l’énergie électrique (W), de la chaleur (Q) et de l’eau. Pour ce faire, la PAC contient 2 électrodes. Vous pouvez distinguer une anode qui émet les électrons et une cathode qui reçoit les électrons. Elles sont séparées par un électrolyte. Son rôle consiste à assure le passage des ions. Le système proposé par un fabricant de piles à combustible comme HELION Hydrogen Power est aussi composé d’une membrane spécifique. Elle permet d’éviter la mise en contact des réactifs à chacune des électrodes.
Donc, à l’anode, il y a une électrochimique de l’hydrogène par exemple. À la cathode, vous pouvez observer la réduction de l’oxygène. Le bilan global est alors la production d’eau. En fonction des paramètres voulus ou des applications prévues, la composition d’une PAC sera toutefois différente. Les électrodes et les électrolytes seront de natures diverses.
Les technologies de piles à combustible accessibles sur le marché
Diverses technologies de PAC ont vu le jour depuis sa découverte. L’une des plus courantes est la pile à membrane à échange de protons ou PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Elle sert massivement dans le secteur automobile pour l’alimentation des véhicules. Cette pile fonctionne à une basse température, ce qui favorise un démarrage rapide et évite un besoin de chauffage préalable. Son électrolyte solide lui permet également de proposer une durée de vie allant jusqu’à près de 100 000 heures. Elle est également conçue de façon compacte. Cette caractéristique favorise son utilisation dans le domaine de l’électronique portable (groupes électrogènes, caméras, téléphones…). Il existe évidemment d’autres technologies de piles à combustible utilisées par une clientèle variée. Parmi elles, vous pouvez distinguer la MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). Son électrolyte est composé de sels fondus, utilisant le nickel en tant que catalyseur. Quant à la SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), elle adopte un électrolyte fait en céramique. Cela lui procure d’excellentes performances de rendement (plus de 80 %). Vous avez également des déclinaisons de PAC au stade industriel. Par exemple, les MFC (Microial Fuel Cell) génèrent de l’électricité dans le cadre du traitement des eaux usées. Le processus implique la digestion des microbes). Puis, comme pour les PEMPC, il est possible d’opter pour des piles fonctionnant avec un combustible spécifique. Cela va du gaz naturel à l’éthanol, en passant par le méthane (DMFC ou Direct Methanol Fuel Cell).