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Mis à jour le 2 juin 2024

Technologie des piles à combustible

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l’énergie chimique en électricité. Il génère un potentiel en séparant les réactions : l’hydrogène subit une oxydation à l’anode, tandis que l’oxygène subit une réduction à la cathode. Actuellement, trois principaux types de piles à combustible sont en cours de développement ou en fonctionnement, chacun offrant des avantages, des limites et des applications potentielles uniques. Les principales caractéristiques de ces différents types de piles à combustible sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Type de pile à combustibleTempérature de fonctionnementGaz de cathodeÉlectrolyteGaz d’anode
Membrane échangeuse de protons50 à 100 °CAir (O2 + N2)Polymère (H+)H2
Alcalin50 à 100 °CAir (O2 + N2)KOHH2
Oxyde solide500 à 1000 °CAir (O2 + N2)ZrO2 (O2-)CH4, CO
Principaux types de piles à combustible et leurs principales caractéristiques correspondantes.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) utilisent un polymère solide comme électrolyte et comportent des électrodes de carbone poreuses intégrées à un catalyseur en platine. Ils fonctionnent uniquement avec de l’hydrogène, de l’oxygène de l’air et de l’eau, éliminant ainsi le besoin de fluides corrosifs dont d’autres piles à combustible pourraient avoir besoin. En règle générale, ces piles à combustible sont alimentées par de l’hydrogène pur fourni par des réservoirs de stockage ou des reformeurs embarqués.

Les piles à combustible PEM fonctionnent à des températures relativement basses, autour de 50-100°C. Cependant, le catalyseur au platine est très sensible à l’empoisonnement au CO, ce qui nécessite un réacteur supplémentaire pour réduire le CO dans le gaz combustible si l’hydrogène provient de l’alcool ou des hydrocarbures. Pour résoudre ce problème, les développeurs étudient des catalyseurs platine/ruthénium qui présentent une plus grande résistance au CO.

Les piles à combustible PEM sont principalement utilisées dans les transports et certaines applications stationnaires. Structurellement, une pile à combustible à membrane échangeuse de protons comprend une membrane échangeuse de protons (électrolyte polymère) positionnée entre une anode et une cathode. La figure ci-dessous fournit une représentation schématique d’une pile à combustible PEM.

Illustration du principe de fonctionnement d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM)

Les processus qui se produisent dans la pile à combustible sont les suivants :

  1. Introduction de l’hydrogène : L’hydrogène est canalisé à travers des plaques de champ d’écoulement vers l’anode d’un côté de la pile à combustible, tandis que l’oxygène de l’air est dirigé vers la cathode du côté opposé.
  2. Réaction de l’oxygène à la cathode : À la cathode, l’oxygène réagit avec les protons de la membrane échangeuse de protons et les électrons de l’électrode.
  3. Dissociation de l’hydrogène à l’anode : Sur l’anode, les molécules d’hydrogène se dissocient et s’adsorbent sous forme d’atomes d’hydrogène sur un catalyseur en platine.
  4. Transfert de protons : La membrane échangeuse de protons permet aux ions hydrogène chargés positivement de passer à travers la cathode.

La réaction globale qui se produit dans la pile à combustible PEM est la suivante : 2H2 + O2 → H2O.

Les piles à combustible alcalines (AFC) ont été parmi les premières technologies de piles à combustible développées et ont été largement utilisées dans le programme spatial américain pour produire de l’énergie électrique et de l’eau à bord des engins spatiaux. Ces piles à combustible utilisent une solution d’hydroxyde de potassium dans l’eau comme électrolyte et peuvent utiliser divers métaux non précieux comme catalyseurs à l’anode et à la cathode.

Les AFC à haute température fonctionnent à des températures comprises entre 100 °C et 250 °C, mais les conceptions plus récentes fonctionnent à des températures plus basses d’environ 23 °C à 70 °C. Les AFC sont des piles à combustible à haute performance en raison de la vitesse rapide des réactions chimiques à l’intérieur de la cellule. Ils sont également très efficaces, atteignant des rendements de 60 % dans les applications spatiales.

Cependant, un inconvénient important des CFA est leur susceptibilité à l’empoisonnement au dioxyde de carbone (CO2) ; même de petites quantités deCO2 dans l’air (400 ppm) peuvent nuire à leur fonctionnement, nécessitant la purification de l’hydrogène et de l’oxygène utilisés dans la cellule. Cette sensibilité au CO2 affecte également la durée de vie de la cellule, ou la durée avant qu’elle ne doive être remplacée. Néanmoins, les piles AFC ont démontré un fonctionnement stable pendant plus de 8000 heures.

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) utilisent un composé céramique dur et non poreux comme électrolyte. En raison de la nature solide de l’électrolyte, ces cellules n’ont pas besoin d’être construites dans la configuration en forme de plaque typique des autres types de piles à combustible. Les SOFC devraient atteindre un rendement d’environ 50 à 60 % dans la conversion du carburant en électricité.

Les SOFC fonctionnent à des températures élevées, environ 1000°C. Ce fonctionnement à haute température élimine le besoin de catalyseurs à base de métaux précieux. De plus, les SOFC sont le type de pile à combustible le plus résistant au soufre, capable de tolérer des niveaux de soufre nettement plus élevés que les autres types de cellules. Ils sont également immunisés contre l’empoisonnement au monoxyde de carbone (CO), ce qui permet d’utiliser le CO comme carburant.

Cependant, la température de fonctionnement élevée présente certains inconvénients. Il en résulte un démarrage lent et nécessite un blindage thermique important pour retenir la chaleur et protéger le personnel. Bien que cela puisse être acceptable pour les applications de services publics, cela pose des défis pour les transports ou les petites applications portables.

Au cours des dernières années, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons sont devenues la technologie la plus utilisée pour
applications industrielles à grande échelle. En particulier, l’industrie automobile s’est concentrée sur près de
exclusivement sur cette technologie. Le système DASH Power fabriqué par GRZ Technologies utilise des piles à combustible PEM.

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