La pile à combustible est un appareil transformant l’hydrogène en électricité. Il y a plusieurs technologies, utilisant différents catalyseurs (PEMFC, AFC, SOFC …), certaines utilisant du méthanol (DMFC). On les utilise surtout dans les véhicules, pour alimenter les moteurs électriques, ou comme générateurs d’appoint. Leur utilisation pour gérer les énergies intermittentes d’un réseau électrique pourrait se développer.


Le principe de la pile à combustible

Le principe de la PAC est de produire de l’électricité à partir d’hydrogène (= l’inverse de celui d’un électrolyseur en somme) grâce aux réactions se produisant à deux électrodes séparées par un électrolyte laissant passer les ions (H+ en principe), mais bloquant les électrons.

Une réaction se produit au niveau de l’anode, libérant des électrons. Ces derniers, tentant de rejoindre la cathode, sont bloqués par l’électrolyte et détournés vers un circuit électrique. Ce transfert d’électrons va créer un courant électrique, ce qui est le but recherché.

Les enjeux pour les PAC

Au-delà de cette réaction, apparemment simple, se cache une complexité infinie. La performance du procédé va dépendre notamment de l’électrolyte utilisé et des conditions de chaleur et de pression auxquelles se produisent la réaction.

L’assemblage lui-même de la PAC va beaucoup influer sur son efficacité. Il faut voir cela un peu comme des processeurs: on va vers des échanges de plus en plus denses, des circuits de plus en plus petits, pour limiter au maximum les pertes et accélérer la réaction.

« L’assemblage membrane-électrode (AME) est le coeur des piles à combustibles échangeuses de proton [PEMFC], là où les réactions électrochhimique se produisent pour générer du courant électrique. […] La technologie de fabrication des AME est un élément clé pour créer une pîle à combustible qui fonctionne à hautes performances. »

Traduit de l’anglais. p.4-5

Il y a une infinité d’autres sujets, comme par exemple des contaminations / corrosions liées aux matériaux et notamment au carbone.

« Il est bien documenté que le monoxyde de carbone se lie fortement sur les sites de platine, résultant dans une réduction de la surface active disponible pour l’adsorption d’hydrogène et l’oxydation. […] Les impuretés de CO venant du flux de carburant, même de l’ordre de quelques ppm, peuvent causer des dégradations substancielles des performances des cellules, surtout à de hautes densités de courants. Les pertes de voltage deviennent plus sévères avec une exposition prolongée au CO, due à l’accumulation sur le catalyste en platinium sur la durée. »

Traduit de l’anglais, p.21-22, A propos des électrodes de PEMFC.

Vous avez ce type de problématiques pour toutes les technologies.

Le problème de la puissance des PAC

Actuellement, l’un des problèmes des PAC est leur puissance. C’est pour cela que les véhicules à hydrogène sont toujours équipés d’une batterie pour absorber les pics de puissance (démarrage notamment).

C’est plus problématique pour la mobilité lourde, comme les bâteaux, qui auraient besoin de piles à combustibles haute puissance pour se déplacer à l’hydrogène.

Pour vous donner un ordre de grandeur, 100kW sont déjà caractérisées de PAC « de fortes puissances » par le CEA, alors qu’il faudrait des piles de l’ordre de 1MW pour les grands navires.

Notez qu’il y a un industriel français spécialisé dans ces modèles : HDF Industry.

Les différents types de PAC

Il y a plusieurs types de piles à combustibles qui se distinguent par l’électrolyte utilisé (membrane échangeuse de protons, liquide basique, liquide acide …) et certaines même par le carburant utilisé (méthanol et éthanol au lieu d’hydrogène). Nous verrons:

  • La PAC à membrane échangeuse de proton
  • La PAC alcaline
  • La PAC à méthanol
  • La PAC à oxyde solide
  • La PAC à carbanate fondu
  • Les PAC microbiennes

Pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC)

La PAC à membrane échangeuse de proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) utilise, comme son nom l’indique, une membrane solide (souvent en Nafion) pour séparer ses électrodes.

  • Au niveau de l’anode, le dihydrogène se sépare, libérant deux électrons: H2 => 2H+ +2e-
  • Au niveau de la cathode, l’oxygène, les ions H+ et les électrons se combinent pour produire de l’eau: 1/2 O2 +2H+ +2e- => H2O [on parle de réaction de réduction d’oxygène, Oxygen Reduction Reaction, ORR en anglais]

C’est aujourd’hui la technologie la plus populaire, notamment parce que c’est elle qu’on retrouve dans les véhicules à hydrogène. Elle a en effet deux atouts:

  • Contrairement à l’alcaline, elle supporte parfaitement les fortes variations d’intensité.
  • C’est une technologie mature, qui fonctionne dans des conditions relativement simples à atteindre.

Il me semble également qu’elle est plus adaptée aux usages mobiles parce que son électrolyte n’est pas un liquide, mais une membrane, mais je n’ai pas retrouvé la source.

L’un de ses principaux problèmes est le prix de ses composants: les électrodes contiennent une large part de métaux précieux, comme le platine. La membrane, en principe composée de nafion, est également assez chère.

Le rendement énergétique est d’environ 60% si elle fonctionne avec du dihydrogène de grande pureté.

Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur les piles à combustibles à membrane échangeuse de proton (PEMFC).

Les piles à combustible à acide phosphorique

Selon certains, (Barbir et al. 2015, p.57), la pile à combustible à acide phosphorique est « la technologie la plus avancée commercialement parmis les piles à combustibles hydrogène-oxygène. » (cela m’étonne un peu, il me semblait que c’était l’alcaline plutôt)

L’électrolyte est ici de l‘acide phosphorique liquide dispersé sur une matrice de carbure de silicium placé entre deux électrodes de carbone plaquées de platine. Le liquide est tenu « en place » grace à du polytetrafluoroethylene (PTFE).

Elle peut fonctionner à des températures plus élevées (160-220°C), ce qui lui permet d’améliorer la gestion de l’eau (forcément, elle s’évapore …), de diminuer les couts d’activation, d’accélérer la cinétique de la réaction et de fonctionner avec de l’hydrogène sortant juste du vaporéformeur. Enfin, le procédé peut tolérer la présence de CO2 dans le gaz et jusqu’à 1-2% de CO. (Barbir et al. 2015, p.57)

Leur efficience à 200°C serait de 77%. Si la chaleur est réutilisée, alors l’efficience monte à 85%.Leur principal problème est qu’elles sont chères, notamment en raison de l’ « utilisation de catalyseur au platine sur les deux électrodes, graphitisation des plaques bipolaires, besoin en système auxiliaire, traitement du carburant, et de la maintenance globale ». (Barbir et al. 2015, p.63-64)

Elles sont principalement utilisées pour des applications stationnaires.

Leur rendement énergétique avoisinerait les 37-42%.

Pile à combustible alcaline (AFC)

La pile à combustible alcaline repose sur l’utilisation d’une solution de potasse (= hydroxyde de potassium, KOH) comme électrolyte. Les électrodes peuvent être composées de métaux non nobles, ce qui en fait une pile globalement assez bon marché à concevoir. Elles fonctionnent à des températures moyennes (90°C). Néanmoins, supportant très mal la présence de carbone, ces piles ne peuvent pas utiliser l’air ambiant, ce qui augmente le cout de fonctionnement.

  • A l’anode: 2H2 + 4OH => 4H2O + 4e
  • A la cathode: O2 + 2H2O + 4e => 4OH

C’était la technologie utilisée par Francis T. Bacon dans les années 1950 pour concevoir sa célèbre « Bacon Cell » (pile de Bacon) d’une puissance de 5kW.

Pile à combustible à méthanol direct (DMFC)

Le méthanol a pour avantage d’être beaucoup plus facile à stocker et transporter que l’hydrogène. Il est néanmoins très toxique. L’électrolyte de la pile à combustible à méthanol direct (Direct Methanol Fuell Cell) est une membrane en polymère. Les deux électrodes utilisent des métaux rares (platine et ruthenium).

  • anode: CH3OH + H2O → CO2 + 6 H+ + 6 e
  • cathode: O2 + 4 H+ + 4 e → 2 H2O

L’un des problème était la tendance du méthanol à traverser la membrane séparant les deux électrodes. Il semble toutefois avoir été largement résolu par une innovation en 2009.

Leur rendement énergétique est de l’ordre de 30-40%.

C’est le principe des piles à combustible Efoy, qui proposent de générer du courant pour les campeurs ou pour diverses applications professionnelles (télécommunications, surveillance, etc.).

Pile à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide (=solid oxide fuel cell, SOFC) ont la particularité de fonctionner à très hautes températures (600-1000°C). L’électrolyte est un composé complexe solide. Les électrodes sont suffisamment poreuses pour laisser le carburant jusque l’interface avec l’électrolyte. On utilise du nickel, qui a de bonnes propriétés catalytiques pour briser les liaisons hydrogènes et est bon marché.

  • A l’anode: O2. (s) + H2 (g) => H20 (g) + 2e..
  • A la cathode: O2 (g) + 4e. => 2O2. (s)

En fait d’un côté un peu d’électrolyte est enlevé et, de l’autre, un peu d’électrolyte et ajouté (si j’ai bien compris).

Même si elle existe depuis 1930, cette technologie n’avait pas atteint la maturité commerciale en 2015 (Barbir et al. 2015, p.91). Cette technologie inclut le modèle d’électrolyse à haute température réversible développé par Genvia en 2021, qui fait à la fois électrolyseur et pile à combustible.

Leur rendement énergétique pourrait atteindre 70%.

Notez que c’est une technologie qui peut utiliser plusieurs carburants: H2, éthanol, CH4…

Pile à combustible à carbanate fondu (MCFC)

Les piles à combustible à carbanate fondu (Molten Caranate Fuel Cell, MCFC) utilisent comme électrolyte

  • A l’anode: H2 + CO32 =>H20+CO2+2e-
  • A la cathode: O2 + 2CO2 +4e => 2CO32

L’une de ses caractéristiques est de se produire à hautes températures.

L’électrolyte est en général une combinaison Li2CO3/K2CO3 ou Li2CO3/Na2CO3, tenu par une matrice céramique poreuse en aluminate de lithium.

Si le principe est connu depuis une centaine d’année, ce n’est que récemment que la technologie est devenue suffisamment mature pour entrer sur le marché. Elle représentait en 2015 250MW. (Barbir et al. 2015, p.72)

Le principal problème est la corrosion.

Leur rendement énergétique avoisinerait les 60%.

Les piles à combustible microbiennes

L’idée de pile à combustible microbienne est née dans les années 80-90 grâce à Allen et Benedetto. Le principe est d’utiliser des molécules biologiques pour la catalyse. Des bactéries se développent dans 1 ou 2 électrodes, produisant un « biofilm électroactif ».

  • Au niveau de l’anode, des bactéries anaérobiques dégradent en l’absence d’oxygène de la matière organique en dioxyde de carbone, ions hydrogènes et électrons.
  • A la cathode, l’oxygène « en charge de la force électromotive du flux d’électrons, réduit à la cathode avec l’aide de la couche catalytique microbienne ou chimique ». (Barbir et al. 2015, p.151)

Je détaillerai des exemples spécifiques. Toutefois, une chose est claire: cette technologie est loin, d’être mature.


Références

  • Frano Barbir et al. (2015), Compendium of Hydrogen Energy. Volume 3: Hydrogen Energy Conversion