Les piles à combustible

Il existe plusieurs types de piles à combustible, mais elles sont toutes basées sur un design central [7]. Une unité de pile à combustible est composée d’un certain nombre de cellules. Chaque cellule comporte deux électrodes, l’une positive appelée cathode et l’autre négative appelée anode [8]. La pile à combustible produit de l’électricité grâce à la réaction d’oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur (par exemple l’hydrogène) couplée à la réaction de réduction sur l’autre électrode d’un oxydant, tel que l’oxygène de l’air  [8]. Chaque pile à combustible possède aussi un électrolyte solide ou liquide, qui transporte les ions d’une électrode à l’autre, et un catalyseur qui accélère les réactions au niveau des électrodes   [7]. L’électrolyte joue un rôle clé, car il ne doit laisser passer que les ions appropriés entre les électrodes [7]. Si des électrons libres ou d’autres substances circulent à travers l’électrolyte, ils perturbent la réaction chimique et diminuent l’efficacité de la cellule [7].

Contrairement aux batteries, une pile à combustible génère de l’électricité en continu tant qu’elle est alimentée par une source d’hydrogène et une source d’oxygène [6]. La source d’hydrogène est généralement désignée sous le nom de combustible, ce qui donne son nom à la pile à combustible, bien qu’il n’y ait pas de combustion [3]. L’oxydation de l’hydrogène se fait plutôt électro-chimiquement de manière efficace. Pendant l’oxydation, les atomes d’hydrogène réagissent avec les atomes d’oxygène pour former de l’eau et générer de la chaleur [6]. Dans ce processus, les électrons sont libérés et circulent dans un circuit externe sous forme de courant électrique.

Les différents types de piles à combustible

De nombreux types de piles à combustible sont actuellement utilisés dans une large gamme d’applications, classées principalement selon le type d’électrolyte utilisé (à l’exception des piles à méthanol directes qui sont nommées pour leur capacité à utiliser le méthanol comme carburant). Celles-ci comprennent les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), les piles à combustible à acide phosphorique (P AFC), les piles à combustible au méthanol direct (DMFC) et les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC) à basse et haute température [3] . Chaque type de pile à combustible a également ses propres caractéristiques opérationnelles, offrant des avantages pour des applications particulières , Cela fait des piles à combustible une technologie très polyvalente.

Parmi les différents types de pile à combustible, on s’intéresse aux PEMFCs qUI fonctionnent à des températures relativement basses et peuvent adapter la puissance électrique pour répondre aux exigences d’alimentation dynamique [7]. En raison de l’utilisation d’électrodes à base de métaux précieux, ces cellules doivent  avec de l’hydrogène pur. Les PEMFCs sont adaptées pour les applications qui nécessitent des temps de démarrage rapide et des démarrages et arrêts fréquents. Grâce à ces propriétés, les PEMFCs sont actuellement la technologie de pointe pour les véhicules légers et les véhicules de manutention, et dans une moindre mesure pour les applications stationnaires [7]. La PEMFC est la technologie la plus utilisée pendant les 6 dernières années. L’énergie fournie par les PEMFCs pour les différentes applications est d’environ 311.2 MW en 2016 face à 0.2 MW pour la DMFC, 46.6 MW pour la PAFC, 53.7 MW pour la SOFC, 66.9 MW pour la MCFC et 0 MW pour la AFC  .

Les différentes géométries de PEMFCs :
Il existe deux géométries différentes de PEMFC : cathode ouverte et cathode fermée. Dans la conception de cathode ouverte, appelée aussi PEMFC atmosphérique, la cathode est équipée de ventilateurs pour fournir de l’air à la PEMFC. L’air permet aussi de refroidir la PEMFC en cas de surchauffe et d’humidifier la membrane. Pour la conception de cathode fermée, l’oxygène est fourni à la cathode à travers des canaux d’air comprimé. La conception des PEMFCs à cathode fermée est plus compliquée à mettre en place puisqu’elle nécessite une installation d’air comprimé ou un réservoir d’oxygène. De même, ce type de conception nécessite un circuit de refroidissement extérieur afin de refroidir la PEMFC en cas de surchauffe. Les PEMFCs à cathode fermée exigent aussi un système d’humidification afin d’assurer l’hydratation de la membrane au cours du fonctionnement de la pile.

Avantages des piles à combustible: 

Les piles à combustible présentent divers avantages par rapport aux sources d’énergie classiques, telles que les moteurs à combustion interne ou les batteries. Bien que certaines caractéristiques des piles à combustible ne soient valables que pour certaines applications, la plupart des avantages présentés ci-dessous sont plus généraux .
• Les piles à combustible peuvent réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre causée par la combustion des combustibles fossiles.
• Si l’hydrogène est obtenu par l’électrolyse ou par la valorisation des résidus, il entraîne une réduction de 100% des émissions de gaz à effet de serre du puits à la roue par rapport au moteur à essence à combustion interne.
• Les piles à combustible n’ont pas besoin de combustibles conventionnels tels que le pétrole ou le gaz et peuvent donc réduire la dépendance économique vis-à-vis des pays exportateurs de pétrole, créant ainsi une plus grande sécurité énergétique pour les pays importateurs.
• La maintenance des piles à combustible est simple, car il y a peu de pièces mobiles dans le système.
• Les piles à combustible ont un rendement plus élevé que les moteurs diesel ou à gaz Uusqu’à 60%).
• La plupart des piles à combustible fonctionnent silencieusement par rapport aux moteurs à combustion interne. Elles sont donc bien adaptées à une utilisation dans des bâtiments tels que les hôpitaux.
• Les piles à combustible à basse température (PEMFC, DMFC) ont une faible transmission de chaleur ce qui les rend idéales pour les applications militaires.
• Les piles à combustible à température élevée produisent une chaleur de haute qualité de sorte qu’elles sont bien adaptées aux applications de cogénération (telles que la chaleur et l’énergie combinées pour une utilisation résidentielle).
• L’utilisation de piles à combustible stationnaires pour générer de la puissance au point d’utilisation permet d’obtenir un réseau électrique décentralisé potentiellement plus stable.
• Le temps de fonctionnement est beaucoup plus long qu’avec les batteries, car une pile à combustible peut fonctionner indéfiniment, à condition qu’elle soit alimentée par une source d’hydrogène et une source d’oxygène.