Grâce aux progrès technologiques, de nouvelles techniques de stockage d’énergie sont apparues. Bien que les dispositifs de stockage d’énergie de type batterie rechargeable continuent de dominer le marché, les piles à combustible gagnent du terrain. La première pile à combustible hydrogène-oxygène a été commercialisée voici bientôt un siècle, mais c’est seulement grâce aux récents progrès réalisés sur le plan de l’efficacité énergétique des piles à combustible¹ et de la densité de puissance que ces équipements suscitent aujourd’hui un regain d’intérêt sous l’impulsion de la lutte contre le changement climatique et la promotion de la production d’énergie verte – en particulier les modèles utilisant de l’hydrogène vert. Dans le présent article, nous nous pencherons sur la chimie des piles à combustible et passerons en revue leurs différentes variantes développées pour prendre en charge un large éventail d’applications.

Introduction

Tout comme les batteries, les piles à combustible permettent de générer de l’énergie. Ces deux technologies présentent toutefois quelques différences fondamentales. L’une des principales différences est le fait que les piles à combustible nécessitent un apport continu de combustible pour fonctionner, tandis que dans les batteries, l’énergie est produite par le mouvement des ions présents entre les électrodes. La pile à combustible continuera de produire de l’énergie aussi longtemps qu’elle est alimentée en combustible – généralement de l’hydrogène et de l’oxygène. Cette capacité à produire de l’énergie en continu présente un avantage certain pour certaines applications. Par exemple, comme alimentation de secours² dans les centres de données en remplacement des générateurs diesel ou comme source alternative d’électricité (microréseaux) pour électrifier des zones rurales tout en réalisant des économies substantielles sur les coûts d’infrastructure.

Fonctionnement des piles à combustible

À l’instar des installations de batteries standard, les piles à combustible se composent d’une anode, d’une cathode et d’un électrolyte (entre les électrodes) et l’énergie produite résulte de diverses réactions électrochimiques. Dans le cas des piles à combustible, l’électricité est générée par les réactions qui se produisent au niveau des deux électrodes. Bien qu’il existe de nombreux types de piles à combustible, la technique la plus courante repose sur le mouvement de protons – à savoir, des ions hydrogène chargés positivement – entre les électrodes. Chaque électrode contient un catalyseur qui accélère les réactions électrochimiques et décompose le « combustible » provenant de l’alimentation en ions. Il existe différents types de catalyseur, mais du fait que le matériau doit être capable d’accélérer les réactions de l’oxygène et de l’hydrogène, il s’agit généralement de platine ou de nickel.

Si le combustible de base des piles à combustible est l’hydrogène, elles ont aussi besoin d’un apport en oxygène. Ces deux éléments doivent par conséquent alimenter en continu les piles à combustible pour en assurer le fonctionnement. Les deux électrodes étant séparées par l’électrolyte, il existe donc deux interfaces électrode-électrolyte distinctes. C’est là que se produisent les réactions électrochimiques.

Lorsque l’hydrogène passe par l’anode, les réactions électrochimiques qui s’y produisent perdent leurs électrons, ce qui produit des ions hydrogène chargés positivement – autrement dit, des protons. Les électrons ainsi libérés sont envoyés dans le circuit externe, ce qui génère du courant, tandis que les ions hydrogène traversent l’électrolyte et la cathode. L’électrolyte fait office de membrane échangeuse de protons (PEM) et ne laisse passer que les ions positifs afin de diriger les électrons libérés vers le circuit externe et éviter leur diffusion vers l’autre électrode, ce qui aurait pour conséquence d'empêcher la réaction chimique. L’oxygène passe lui aussi par la cathode et lorsque le catalyseur en décompose les molécules en ions chargés négativement, l’électron précédemment rejeté dans le circuit externe vient se recombiner avec les ions hydrogène chargés positivement ainsi qu’avec les ions oxygène à l’interface cathodique, ce qui a pour effet de produire de l’eau, laquelle est rejetée tout simplement par l’échappement de la pile à combustible.

Les différents types de piles à combustible

Ce mécanisme de base constitue le type de pile à combustible de loin le plus répandu, à savoir la « pile à combustible à hydrogène ». Il existe toutefois quelques variantes de ce mécanisme. La plupart des piles à combustible fonctionnent selon des principes similaires et toutes ont l’hydrogène et l’oxygène pour combustible, quoique certaines utilisent des combustibles supplémentaires. On distingue généralement les piles à combustible selon le type d’électrolyte utilisé pour transporter les ions hydrogène vers la cathode.

Les principaux types de piles à combustible sont :

• les piles à combustible alcalines (AFC) ;
• les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) ;
• les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) ;
• les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) ;
• les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC).

Il en va des piles à combustible comme de tout le reste : chaque variante a sa propre utilité et certaines ne conviennent que dans des situations particulières.

Le terme « alcalines » dans « piles à combustible alcalines » se réfère à l’électrolyte utilisé, l’hydroxyde de potassium (une substance alcaline). C’est le seul facteur de différenciation entre ces piles et le type classique, en dehors du fait que celles-ci sont capables de fonctionner à basse température. En revanche, les MCFC fonctionnent à des températures plus élevées et nécessitent, en plus de l’oxygène et l’hydrogène, un apport en dioxyde de carbone. Cet élément sert à reconstituer les ions carbonate de l’électrolyte qui s’épuisent au fil des cycles. L’électrolyte des MCFC est le carbonate de sodium. Ce type de piles ne convient pas à toutes les applications, surtout chez les particuliers, car sa température de fonctionnement élevée entraîne un risque de fuite ou d’écoulement de l’électrolyte.

Les PAFC sont un autre type de pile à combustible à basse température. Celles-ci ont pour électrolyte l’acide phosphorique. Elles constituent une variante intéressante, car leur mécanisme interne tolère la formation de monoxyde de carbone, ce qui signifie que l’on peut utiliser de l’essence ordinaire comme carburant. De fait, ce n’est pas la solution la plus écologique non plus. L’originalité des SOFC et des PEMFC réside dans le fait qu’elles utilisent un électrolyte non liquide : des composés céramiques d’oxyde métallique (p. ex., la zircone) pour les SOFC et une membrane perméable en polymère pour les PEMFC. Les SOFC fonctionnent à des températures très élevées et le risque ici n’est pas que l’électrolyte s’écoule, mais qu’il se fissure. Au contraire, les PEMFC fonctionnent à très basse température, mais leur rendement est inférieur et le combustible doit être purifié avant utilisation.

Outre de l’énergie, les réactions électrochimiques des piles à combustible produisent également de la chaleur. Or, celle-ci peut être récupérée pour produire davantage d’électricité. De ce fait, si certaines piles à combustible fonctionnant à une température élevée s’avèrent moins stables, elles sont toutefois susceptibles de générer plus d’énergie, à condition d’en exploiter simultanément le combustible et la chaleur résiduelle.

Conclusion

Bien qu’il existe de nombreux types de piles à combustible, toutes reposent sur un mécanisme similaire et toutes utilisent l’hydrogène et l’oxygène comme combustible. Ces gaz sont décomposés par les réactions électrochimiques au niveau des électrodes pour générer de l’électricité d’une part et produire de l’eau comme sous-produit d’autre part. Ainsi, on peut résumer la réaction électrochimique des piles à combustible par : hydrogène + oxygène = électricité + vapeur d’eau.

Les piles à combustible constituent une technologie alternative par rapport aux batteries et sont considérées comme une option plus respectueuse de l’environnement du fait qu’elles ne rejettent que de l’eau. Elles sont souvent plus difficiles à mettre en œuvre que la plupart des batteries disponibles dans le commerce, mais en plus d’être écologiques, l’un des principaux avantages des piles à combustible est qu’elles produiront toujours de l’électricité tant qu’elles seront alimentées à la fois en hydrogène et en oxygène.

Ressources

• 1. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. Consulté le 5 décembre 2022. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells.
• 2. Microsoft. “Hydrogen Fuel Cells Could Provide Emission Free Backup Power at Datacenters, Microsoft Says,” 28 juillet 2022. https://news.microsoft.com/innovation-stories/hydrogen-fuel-cells-could-provide-emission-free-backup-power-at-datacenters-microsoft-says/.