Inventée en 1839 par William R. Grove, la pile a combustible est présentée comme le générateur du futur dans “L’économie hydrogène” de Rifkin et par tous les promoteurs de l’hydrogène. Mais de quoi s’agit-il ?

Pour la définition, reprenons celle de Wikipedia, que je trouve très bien:

“Une pile à combustible est une pile dans laquelle la génération d’une tension électrique se fait grâce à l’oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur (par exemple l’hydrogène) couplée à la réduction sur l’autre électrode d’un oxydant, tel que l’oxygène de l’air.”

Wikipedia

Je parlerai surtout de son utilisation avec l’hydrogène (on parle d’ailleurs souvent de “pile à hydrogène”), mais certaines peuvent utiliser du gaz naturel ou du méthanol. Plus précisément, je vais parler de la pile à membrane échangeuse de protons (= Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou PEMFC), qui me semble être la pile la plus courante.

Je dirai un mot ensuite des autres types de piles.

[L’article est en construction, mais il est déjà bien avancé]

La pile à combustible (PAC) “PEMFC

Le principe de la pile à membrane échangeuse de protons (=Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou PEMFC) consiste, en un mot, dans le principe de l’électrolyse, mais à l’envers.

Le principe

Vous avez 3 grandes zones :

  • Une anode (oxydante, émettrice d’électrons). On va y injecter de l’hydrogène.
  • Un électrolyte, qui va conduire les ions H+ de l’anode à la cathode tout en faisant obstacle aux électrons (forcés de suivre un circuit annexe).
  • Une cathode (réductrice, collectrice d’électrons), dans laquelle on va injecter du dioxygène (=pur ou dans l’air), qui va réagir avec les ions H+ et les électrons pour former de l’eau et de la chaleur.

Reprenons dans l’ordre :

  1. On injecte du dihydrogène sur l’anode (un catalyseur “constitué de nanoparticules de platine déposées sur des grains de carbone“), ce qui produit, par oxydation catalytique, des ions H+. H2 → 2H+ 2e
  2. Ces derniers migrent à travers la membrane électrolyte pour retrouver la cathode. Pendant ce temps, les électrons, qui ne peuvent, eux, pas passer,
  3. Les ions H+ arrivent à la cadhode où, mis en contact avec du dioxygène et en captant les électrons qui ressortent du circuit électrique, ils vont faire de l’eau, libérant ainsi de la chaleur. O2 + 4H+ + 4 e–  2H2O + Q (chaleur)

Elle fonctionne à basse température (20-100°C).

Vous pouvez trouver son principe clairement expliqué sur cette vidéo du CEA (à partir de 3’00”) :

Pour en savoir plus, l’article Wikipedia est très complet.

Considérations pratiques

Seule 50% de l’énergie libérée l’est sous forme électrique, le reste l’est sous forme de chaleur.

Le gros problème de la PEMFC est qu’elle nécessite de la platine, un métal extrêmement cher.

Le type de membrane le plus couramment utilisé serait le “Nafion”, un fluoropolymère fabriqué par DuPont.

Le prix

Actuellement, le prix des PAC PEMFC est de l’ordre de 1000€/KW ou plus. Néanmoins, le prix pourrait être radicalement réduit grâce aux économies d’échelles et à la sophistication des processus à 40$/kW.

Bahman Zohuri, Hydrogen Energy, Challenges and Solutions for a Cleaner Future, 2019, p.44 ; Fait référence à Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve

Selon Bahman Zohuri (Hydrogen Energy, Challenges and Solutions for a Cleaner Future, 2019), “Platinum represents one of the largest cost components of a fuel cell”. (p.145)

La durabilité

Les différents types de PAC

Il y a plusieurs types de PAC, se distinguant notamment par leurs électrolytes et les carburants possibles.

Celles dont l’électrolyte est acide (les ions H+ vont de l’anode vers la cathode), comme la PEMFC sont :

  • Les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), qui utilisent comme combustible le méthanol (CH3OH).
  • Les PAFC, les Phosphoric Acid Fuel Cells, utilisant de l’acide phosphorique liquide en guise de membrane.

Celles dont l’électrolyte est basique (des ions négatifs vont de la cathode vers l’anode) sont:

  • AFC : les Alcaline Fuel Cells ou piles alcalines. Elles furent les premières utilisées par les missions spatiales.
  • La pile à oxyde solide (SOFC), qui utilise du gaz naturel. Nous ne parlerons que de la première.
  • La MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), dont l’électrolyte est constitué de sels fondus et qui utilise le nickel comme catalyseur

Un peu à part, vous avez la MFC (Microbial Fuel Cell), qui produirait de l’électricité par digestion de microbes lors du traitement des eaux usées.

Sur ce sujet, je vous recommande les articles de connaissancedesenergies.org, de H2sys et de Wikipedia.

Si vous avez une observation (un point qui vous a plu ou une erreur à relever ?) ou une requête (un aspect que vous aimeriez que je développe), n'hésitez pas à m'en faire part. Ca m'aidera à améliorer le site 🙂
Idéalement, précisez le ou les articles que vous voulez que j'avance.