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Pile à combustible

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Une pile à combustible est faite de métal, de graphite, d'électrodes et son processus est chimique. Une pile à combustible convertit l'énergie chimique (énergie stockée dans les liaisons moléculaires) en énergie électrique. Une cellule PEM (Proton Exchange Membrane) utilise de l'hydrogène gazeux (H2) et de l'oxygène gazeux (O2) comme carburants ; la génération d’électricité va s’effectuer via l’oxydation d’un combustible réducteur, l’hydrogène, et la réduction d’un oxydant comme l’oxygène contenu dans l’air. Les produits de la réaction dans la cellule sont l'eau, l'électricité et la chaleur. Comme l'oxygène est facilement disponible dans l'atmosphère, il suffit d'alimenter la pile à combustible en hydrogène qui peut provenir d'un processus d'électrolyse.

Pile à combustible content

Un peu d'histoire

L'effet pile à combustible est découvert par l'Allemand Christian Schönbein en 1839. Le premier modèle de laboratoire de pile à combustible est réalisé par William R. Grove sur les trois années suivantes. En 1889, Ludwig Mond et Carl Langer donnent à la pile à combustible son nom et sa forme actuelle. Francis Bacon reprend les études de la pile à combustible en 1932 et réalise un premier prototype de 1kW en 1953, puis de 5 kW en 1959. Ce prototype servira de modèle pour les futures piles à combustible utilisées lors des missions spatiales Apollo (Source Wikipedia : https://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_à_combustible)

Comment fonctionne une pile à combustible ?

Une pile à combustible fonctionne en faisant passer de l'hydrogène à travers l'anode et de l'oxygène à travers la cathode. Au site anodique, les molécules d'hydrogène sont divisées en électrons et protons. Les protons traversent la membrane électrolytique, tandis que les électrons sont groupés à travers un circuit, générant un courant électrique et un excès de chaleur. À la cathode, les protons, les électrons et l'oxygène se combinent pour produire des molécules d'eau.

Les piles à combustible sont modulaires. Cela signifie que les cellules individuelles sont reliées les unes aux autres pour former de plus grandes piles, et à leur tour ces piles peuvent être combinées dans des systèmes plus grands. Les systèmes de piles à combustible varient considérablement en taille et en puissance, des systèmes portables pour recharger la batterie des smartphones, aux remplacements de moteurs à combustion pour les véhicules électriques, en passant par les installations à grande échelle de plusieurs mégawatts fournissant de l'électricité directement au réseau de distribution.

Les différentes piles à combustible

S’il existe plusieurs technologies de pile à combustible, la plus répandue pour la mobilité est la LT-PEMFC, grâce à sa maturité et à sa grande compacité. Rapide revue de détail ci-après.

  1. AFC (Alcaline Fuel Cell): elles fonctionnent à une température comprise entre 65°C et 90°C. Les missions Apollo utilisèrent des piles alcalines.
  2. LT-PEMFC (Low Temperature - Proton Exchange Membrane Fuel Cells): grâce à leurs membranes échangeuses de protons elles bénéficient d’un démarrage rapide et puissant. Elles servent à alimenter des véhicules ou des installations de petites dimensions car elles fonctionnent à faibles températures (20-100°C). Il est possible de faire fonctionner des PEMFC avec du méthanol en rajoutant au processus la transformation du méthanol en hydrogène par le biais d'un système de vaporeformage — qui génère cependant du monoxyde de carbone, toxique, et du CO2.
  3. HT-PEMFC (High Temperature - Proton Exchange Membrane Fuel Cell): Comparées aux précédentes, elles ont l'avantage de pouvoir mieux fonctionner avec du méthanol réformé car les résidus de monoxyde de carbone sont faibles. Elles permettent également plus facilement la co-génération avec récupération de chaleur car elles fonctionnent à haute température (200°C). Elles sont cependant plus onéreuses que les LT-PEMFC et la technologie est moins mature, moins stable.
  4. DMFC (Direct Méthanol Fuel Cell): elles sont alimentées directement au méthanol et fonctionnent en basse température ; les inconvénients de ces piles méthanol sont liés à leur coût, du fait de la présence de platine, à une dégradation rapide de leur performances qui limite leur durée de vie, et à un rendement plus faible que les PEMFC. Elles sont surtout utilisées pour de très faibles puissances.
  5. PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): ces piles à acide phosphorique peuvent fonctionner jusqu'à 210 degrés Celsius. La chaleur très importante qu'elles produisent permet de les utiliser pour une cogénération. Elles alimentent généralement des structures stationnaires dotées d'une puissance de plusieurs dizaines de mégawatts.
  6. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): ces piles à carbonate de potassium et de lithium fonctionnent à des températures élevées, comprises entre 600 et 700 degrés Celsius. Leur rendement va de 60 à 80 %. Elles servent à alimenter d'importantes installations énergétiques stationnaires.
  7. SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell): ces piles à oxydes solides fonctionnent à une température encore plus forte que la catégorie précédente (entre 800 et 1000 degrés Celsius). Démarrant lentement et nécessitant des composants pouvant résister à des températures très élevées, telle que la céramique, elles sont surtout utilisées lorsqu'il y a un intérêt à faire de la co-génération avec un objectif de récupération de chaleur fatale. Si leur rendement est élevé (jusque 60%) et qu'elle n'ont pas le souci du monoxyde de carbone de piles méthanol basse température, il est cependant nécessaire d'absorber leurs émissions nocives de soufre. C'est une technologie prometteuse, qui a en outre le mérite de pouvoir fonctionner avec tous les types d'alcools.

Quel est l'intérêt d'une pile à combustible en comparaison d'une batterie ?

L'un des intérêts majeurs d'une pile à combustible est de pouvoir utiliser l'énergie contenue dans l'hydrogène, produit à partir d'énergies renouvelables tel que le solaire, et de pallier ainsi à leur intermittence, tout cela sans émission de CO2 ni de particules fines, avec un rendement de plus d'environ 50%.

Cependant, il serait faux de penser que la technologie de la pile à combustible est une alternative aux batteries. En réalité, ces deux solutions s'associent et se complètent parfaitement, d'autant plus quand l'énergie dont elles sont chargées et transforment en électricité provient de sources renouvelables.

L'exemple du navire Energy Observer illustre bien l'intelligence du système développé par nos ingénieurs. Pour faire simple, le bateau dispose de trois grands régimes de fonctionnement:

  • En navigation normale, l’électricité solaire ou éolienne alimente directement la propulsion.
  • Les batteries prennent le relais en cas de chute momentanée de la production, par exemple par temps couvert.
  • En cas d’interruption longue, la nuit par exemple, la pile à combustible prend le relais et fait office de prolongateur d’autonomie en convertissant les réserves d’hydrogène en électricité.

À l’inverse, des stratégies sont également programmées pour recharger batteries et stocks d’hydrogène aux moments judicieux, avant que ces réserves ne s’épuisent. Lorsque le niveau de charge de la batterie descend en dessous de 30%, la plus grande partie de la production électrique est dédiée à leur recharge. Lorsque le niveau de la batterie est supérieur à 90% ou que le bateau est à l’arrêt, l’énergie sert à produire de l’hydrogène. Les pilotes peuvent également faire varier automatiquement le régime des moteurs (et donc la vitesse du bateau) pour garder le niveau de charge des batteries stables.

Ce retour d'expérience a permis aux ingénieurs d'EODev de développer le REXH2® qui s'appuie sur la technologie de pile à combustible Toyota. Celle-ci a déjà prouvé ses avantages pendant de nombreuses années dans la Mirai, et plus récemment aussi dans d'autres applications telles que des bus et des camions. Son utilisation pour d'autres applications comme les générateurs terrestres GEH2 est un pas de plus vers le développement de la société de l'hydrogène.