Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel ...
Une pile à combustible, ou PAC, est un générateur d'énergie : elle convertit directement un combustible en énergie, fournissant ainsi de l'électricité, de l'eau et de la chaleur.
Une pile à combustible assure la conversion d'énergie : chimique → électrique + thermique. Comme une pile électrique classique, elle produit du courant électrique continu. Cependant, la pile à combustible n'utilise pas des couples rédox métalliques, mais un combustible, et un comburant (le dioxygène).
La pile à hydrogène est l'une des seules piles à combustible garantissant une réaction sans production de gaz à effet de serre (avec la PAFC). L'usage d'autres gaz que l'hydrogène dégrade la membrane et réduit considérablement sa durée de vie.
Pourquoi leur utilisation n'est-elle pas encore généralisée ? Et bien parce que la recherche avance, mais pas forcément assez vite. Ensuite, aussi parce que la viabilité industrielle demeure trop faible par rapport au rendement de cette technologie. Les étapes de fabrication étant très nombreuses.
Les équipes de recherche ont étudié l'impact de défauts, tels que l'absence locale de couche catalytique anodique, sur l'état de santé de la pile à combustible. Ces faiblesses facilitent le passage, à travers la membrane, d'oxygène, issu de l'air, et d'hydrogène.
Hors de cet aspect général l'inconvénient principal est que la pile doit fonctionner à partir d'un combustible qui ne peut guère être que de l'hydrogène pur, lequel peut être produit à partir de charbon, de gaz naturel ou de fermentations.
Durée de vie
Aujourd'hui, elle n'est que de quelques milliers d'heures. Pour être intéressantes, les piles doivent atteindre une durée de vie de 20 000 à 40 000 heures (entre 2 et 5 ans).
Si les piles à combustibles suscitent un tel engouement, c'est parce qu'elles présentent de nombreux avantages primordiaux aujourd'hui : - Elles produisent de très bons rendements énergétiques. - Elles sont très peu ou pas polluantes (selon le combustible utilisé). - Elles sont silencieuses.
On la recharge en la branchant à une dynamo, par exemple. Mais c'est assez compliqué et on ne peut l'effectuer pendant qu'elle débite, qu'il fonctionne. La pile à combustible est rechargeable en permanence ou a intervalle régulier, même pendant son débit.
Les types de pile à combustible
Les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). L'électrolyte est constitué d'une membrane solide polymère. Les températures de fonctionnement sont basses (20 – 100 °C). Les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell).
Il existe trois méthodes pour fabriquer de l'hydrogène : l'électrolyse de l'eau, le reformage du gaz (ou vaporeformage) et la pyrolyse de méthane.
Le principe de la pile à combustible est l'inverse d'une électrolyse. La réaction chimique produite par l'oxydation et la rencontre de gaz produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. Le fonctionnement de la pile à combustible nécessite un approvisionnement en combustible, le plus utilisé étant l'hydrogène.
Cependant, la pile à combustible a aussi un gros inconvénient. L'hydrogène n'existe pas à l'état naturel sur notre planète. C'est à dire que contrairement aux carburants fossiles, l'hydrogène ne peut pas être extrait mais doit être produit.
Les particuliers pourront acheter un modèle (aux alentours de 5000 €) ou souscrire à une location longue durée (89 € par mois pour une location de 4 ans avec entretien compris et hydrogène illimité aux bornes).
Comment fonctionne concrètement le véhicule à pile à combustible à hydrogène ? Leur énergie électrique est fournie par une pile à combustible. L'hydrogène est stocké sous pression dans les réservoirs dédiés du véhicule. Ce gaz (H2), ainsi que le dioxygène (O2) de l'air ambiant, alimente la pile à combustible.
La production d'hydrogène vert
L'hydrogène peut être produit par « électrolyse de l'eau » : ce procédé consiste à faire passer un courant électrique dans l'eau pour décomposer ses molécules (H2O) et en extraire l'hydrogène.
Actuellement, l'hydrogène a deux utilisations principales : d'une part, il sert de matière de base pour la production d'ammoniac (engrais) et de méthanol ; d'autre part, il est utilisé comme réactif dans les procédés de raffinage des bruts en produits pétroliers, carburants et biocarburants.
Le rendement d'une pile à combustible varie entre 30 et 70%. Il est généralement de 50%, c'est-à-dire que 50% de l'énergie de l'hydrogène est convertie en électricité et 50% en chaleur.
Les plaques bipolaires assurent l'assemblage de l'ensemble des éléments précédemment décrits. Elles assurent la distribution des gaz et l'évacuation de l'eau à partir de canaux emboutis dans la plaque (Figure 1.3). Elles permettent également de collecter le courant généré aux électrodes.
Pourquoi l'Hydrogène ? L'Hydrogène fabriqué avec des énergies renouvelables est totalement exempt de carbone. Quand on le transforme en électricité, il émet seulement de l'eau. Il est également facile à stocker et à transporter, ce qui nous permet d'utiliser cette énergie renouvelable dans tout son potentiel.
Les inconvénients de l'hydrogène
Le principal inconvénient de l'hydrogène, c'est que l'exploitation de cette énergie coûte encore relativement cher. En l'occurrence, le coût de production de l'hydrogène vert se situe entre 3 et 6 €/kg quand le coût de production de l'hydrogène gris est de 1,5 €/kg.
En effet, un véhicule à hydrogène ne rejette qu'un élément : la vapeur d'eau. Et pour cause, il ne consomme pas directement d'énergie fossile et n'émet ni dioxyde de carbone ni polluants atmosphériques. Outre cet aspect, cette voiture fonctionne avec une batterie beaucoup plus petite que celle de la voiture électrique.
Lorsque l'on met de l'hydrogène et de l'air au contact d'un catalyseur, la pile à combustible génère de l'électricité permettant d'alimenter un moteur électrique, le seul résidu libéré étant de la vapeur d'eau.