Comment fonctionne la pile à combustible

Explorez le développement de la pile à combustible et étudiez les différents systèmes.

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui combine l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’électricité, de la chaleur et de l’eau.

La pile à combustible est similaire à une batterie en ce qu’une réaction électrochimique se produit tant que le carburant est disponible. L’hydrogène est stocké dans un récipient sous pression et l’oxygène est extrait de l’air.

En raison de l’absence de combustion, il n’y a pas d’émissions nocives et le seul sous-produit est l’eau pure. L’eau émise par la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est si pure que les visiteurs du Ballard Power Systems de Vancouver ont reçu du thé chaud fabriqué à partir de cette eau propre.

Fondamentalement, une pile à combustible procède à une électrolyse à l’envers, à l’aide de deux électrodes séparées par un électrolyte. L’anode (électrode négative) reçoit de l’hydrogène et la cathode (électrode positive) recueille l’oxygène. Un catalyseur à l’anode sépare l’hydrogène en ions hydrogène et électrons chargés positivement. L’hydrogène est ionisé et migre à travers l’électrolyte vers le compartiment cathodique, où il se combine avec l’oxygène. Une seule pile à combustible produit 0,6 à 0,8 V sous charge. Pour obtenir des tensions plus élevées, plusieurs cellules sont connectées en série.

Concept d’une pile à combustible

L’anode (électrode négative) reçoit l’hydrogène et la cathode (électrode positive) recueille l’oxygène.

La technologie des piles à combustible est deux fois plus efficace que la combustion pour transformer le carburant carboné en énergie. L’hydrogène, l’élément chimique le plus simple (un proton et un électron), est abondant et exceptionnellement propre comme carburant.

L’hydrogène représente 90 per cent de l’univers et est le troisième élément le plus abondant à la surface de la Terre. Une telle richesse en carburant fournirait un pool presque illimité d’énergie propre à un coût relativement faible. Mais il y a un problème.

Avec la plupart des carburants, l’hydrogène est lié à d’autres substances et libérer le gaz prend de l’énergie. En termes de valeur calorifique nette, l’hydrogène est plus coûteux à produire que l’essence. Certains disent que l’hydrogène est presque neutre en énergie, ce qui signifie qu’il faut autant d’énergie à produire qu’il en livre à la destination finale.

Le stockage de l’hydrogène pose un autre inconvénient. L’hydrogène sous pression nécessite des réservoirs en acier lourd et le VCN en volume est environ 24 fois inférieur à celui d’un produit pétrolier liquide. Sous forme liquide, beaucoup plus dense, l’hydrogène nécessite une isolation importante pour l’entreposage frigorifique.

L’hydrogène peut également être produit avec un reformeur par extraction à partir d’un carburant existant, tel que le méthanol, le propane, le butane ou le gaz naturel. La conversion de combustibles fossiles en hydrogène pur libère des restes de carbone, mais c’est moins nocif que ce qui provient du tuyau d’échappement d’une voiture.

Porter un reformateur ajouterait du poids au véhicule et augmenterait son coût; les réformateurs sont également léthargiques. L’avantage net de la conversion de l’hydrogène est en question car elle ne résout pas le problème énergétique.

L’histoire

Sir William Grove, juge gallois et gentleman scientifique, a développé le concept de pile à combustible en 1839, mais l’invention n’a jamais décollé.

C’était lors du développement du moteur à combustion interne que cela a montré des résultats prometteurs. Ce n’est que dans les années 1960 que la pile à combustible a été mise en pratique pendant le programme spatial Gemini.

La NASA a préféré cette source d’énergie propre à l’énergie nucléaire ou solaire. Le système de pile à combustible alcalin qui a été choisi produit de l’électricité et produit de l’eau potable pour les astronautes.

Les coûts élevés des matériaux ont rendu la pile à combustible prohibitive pour une utilisation commerciale. Le noyau de pile à combustible est coûteux et a une durée de vie limitée. Brûler du carburant fossile dans un moteur à combustion est le moyen le plus simple et le plus efficace de capter l’énergie, mais il pollue.

Le coût élevé n’a pas découragé le regretté Karl Kordesch, le co-inventeur de la pile alcaline, de convertir sa voiture en pile à combustible alcaline au début des années 1970. Il a monté le réservoir d’hydrogène sur le toit et placé la pile à combustible et les batteries de secours dans le coffre.

Selon Kordesch, il y avait assez de place pour quatre personnes et un chien. Il a conduit sa voiture pendant de nombreuses années dans l’Ohio, aux États-Unis, mais le seul problème était que la voiture n’avait pas passé les inspections parce qu’elle n’avait pas de tuyau d’échappement.

Voici les concepts de pile à combustible les plus courants.

Pile à combustible à membrane échangeuse de protons

La membrane échangeuse de protons utilise un électrolyte polymère. C’est l’un des systèmes de piles à combustible les plus développés et les plus couramment utilisés; il alimente les voitures, sert de source d’alimentation portable et fournit une alimentation de secours au lieu de batteries stationnaires dans les bureaux.

Ce système permet une conception compacte et atteint un rapport énergie/poids élevé. Un autre avantage est un démarrage relativement rapide lors de l’application d’hydrogène. La cheminée fonctionne à une température modérée de 80 degres et est efficace à 50 pourcent.

Sur le plan négatif, la pile à combustible a des coûts de fabrication élevés et un système de gestion de l’eau complexe. La pile contient de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’eau, et si elle est sèche, de l’eau doit être ajoutée pour démarrer le système; trop d’eau provoque des inondations.

La cheminée nécessite de l’hydrogène de qualité chimique; des qualités de carburant inférieures peuvent provoquer la décomposition et le colmatage de la membrane. Tester et réparer une pile est difficile, étant donné qu’une pile de 150 V nécessite 250 cellules.

L’eau gelée peut endommager la cheminée et des éléments chauffants peuvent être ajoutés pour empêcher la formation de glace. Le démarrage est lent à froid et les performances sont médiocres au début. Une chaleur excessive peut également causer des dommages. Le contrôle des températures et l’apport d’oxygène nécessitent des compresseurs, des pompes et d’autres accessoires qui consomment environ 30 pourcent de l’énergie produite.

Exploitant une pile à combustible dans un véhicule, la pile a une durée de vie estimée entre 2000 et 4000 heures. Le mouillage et le séchage causés par la conduite sur de courtes distances contribuent au stress de la membrane. Fonctionnant en continu, la pile stationnaire est bonne pendant environ 40 000 heures. La pile ne meurt pas soudainement mais s’estompe comme une batterie. Le remplacement de la pile est une dépense importante.