Types de piles à combustible à hydrogène
Il existe plusieurs types courants de piles à combustible à hydrogène, généralement différenciés selon l’électrolyte : pile à combustible alcaline (AFC), pile à combustible à acide phosphorique (PAFC), pile à combustible à carbonates fondus (MCFC), pile à combustible à oxyde solide (SOFC) et pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC).
Chaque type fonctionne à une température spécifique.
On peut donc aussi les classer par plage de température.
L’AFC et la PEMFC sont des piles basse température ; la PAFC est une pile moyenne température (200-750 °C) ; la SOFC est une pile haute température (au-delà de 750 °C).
1. Pile à combustible alcaline (AFC)
Lorsque l’électrolyte est alcalin, la perméabilité au carburant diminue tandis que la densité de courant augmente. L’électrolyte est généralement une solution de KOH, et l’AFC utilise le platine (Pt) comme catalyseur. Pour les catalyseurs d’alliage, la stabilité et la réactivité dépendent du support, de la dispersion, du taux de chargement, etc. On améliore généralement les performances en dopant des modificateurs. Les réactions typiques d’une AFC sont les suivantes :
Anode : 2H2 + 4OH- = 4H2O + 4e- Cathode : O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
L’AFC fonctionne efficacement autour de 80 °C et démarre très rapidement, mais sa densité énergétique n’est qu’un dixième de celle d’une PEMFC. Du fait de l’électrolyte alcalin, l’oxydant doit être de l’oxygène pur ; l’utilisation d’air réduirait fortement la durée de vie à cause du CO et augmenterait les coûts. Ainsi, l’AFC reste principalement militaire, avec peu d’applications commerciales.
2. Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC)
La PAFC utilise un électrolyte d’acide phosphorique concentré et du platine comme catalyseur, fonctionnant autour de 200 °C ; elle appartient donc aux piles de moyenne température. Elle accepte non seulement l’hydrogène, mais aussi des carburants moins coûteux comme le gaz naturel ou le méthanol. Contrairement à l’AFC, elle ne nécessite pas d’équipement spécial pour éliminer le CO, l’air pouvant servir directement d’oxydant. Grâce à l’utilisation de gaz réformé, la PAFC a un fort potentiel pour les centrales fixes et applications similaires.
Le gaz carburant est d’abord réformé [CxHy + xH2O → xCO + (x+ y/2)H2] à environ 800 °C, puis passe dans un réacteur de décalage où CO et H2O produisent H2 et CO2. Le mélange combustible atteint ensuite l’anode, tandis que l’oxygène de l’air réagit à la cathode du stack pour générer électricité et chaleur. Les réactions sont :
Anode : 2H2 + 4OH- = 4H2O + 4e- Cathode : O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- Réaction globale : 1/2 O2 + H2 → H2O
À l’origine développée pour équilibrer le réseau, la PAFC s’est ensuite orientée vers la cogénération résidentielle, hospitalière, commerciale, etc. On l’envisage aussi pour la traction automobile ou les sources d’énergie portables.
3. Pile à combustible à carbonates fondus (MCFC)
Dans une MCFC, l’électrolyte est un mélange fondu de carbonates de Li, K, Na ou Cs. Un séparateur poreux en LiAlO2, une cathode en oxyde de nickel et une anode métallique poreuse en nickel complètent la structure. Grâce à sa température de fonctionnement élevée (650-700 °C), la réaction est plus rapide ; l’électrolyte liquide simplifie l’exploitation. Surtout, la MCFC exige un carburant de pureté moindre et n’utilise pas de catalyseurs nobles, ce qui réduit fortement les coûts. Elle est couramment employée pour l’alimentation électrique régionale.
À 650 °C, le LiAlO2 subit une transition de phase, générant des ions CO32- qui réagissent avec H2 pour produire H2O, CO2 et des électrons. Les réactions sont :
Anode : CO32- + H2 = H2O + CO2 + 2e- Cathode : CO2 + O2 + 4e- = 2CO32- Réaction globale : 2H2 + O2 = 2H2O + Énergie électrique
On constate que l’ion conducteur est CO32- ; le CO2 est réactif à la cathode et produit à l’anode. L’équilibre de pression capillaire au sein des électrodes poreuses maintient l’interface triple phase stable. Le CO2 formé à l’anode revient en continu à la cathode, assurant un fonctionnement durable. Bien qu’une MCFC seule ait un rendement modeste, la coupler à une turbine à gaz peut porter le rendement global et l’utilisation du carburant à ~60 %, tout en abaissant les coûts.
4. Pile à combustible à oxyde solide (SOFC)
Parmi tous les types courants, la SOFC possède la densité énergétique théorique la plus élevée. Son électrolyte est une céramique solide ; la cellule élémentaire comprend deux électrodes poreuses séparées par une couche électrolytique dense. Fonctionnant à 800 – 1000 °C, l’électrolyte transporte les ions O2- et isole l’oxydant du carburant. À la cathode, l’oxygène est réduit en O2- ; sous le gradient de potentiel et de concentration, ces ions migrent vers l’anode où ils s’oxydent avec le carburant.
Anode : H2 + O2- = H2O + 2e- Cathode : 1/2 O2 + 2e- = O2- Réaction globale : H2 + 1/2 O2 = H2O
La tension d’une cellule SOFC n’est qu’environ 1 V ; on assemble donc plusieurs cellules en série/parallèle pour atteindre la puissance requise. Les SOFC servent surtout à la cogénération stationnaire petite ou moyenne. Les matériaux thermoélectriques progressent sans cesse, améliorant ainsi leur rentabilité. Toutefois, la température de fonctionnement élevée (650 – 1000 °C) impose un chauffage lent ; le démarrage reste donc relativement long (65 – 200 min).
5. Pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)
La PEMFC utilise une membrane polymère comme électrolyte. Elle se compose d’une cathode, d’une anode et d’un circuit externe. C’est la technologie la plus prometteuse pour les véhicules électriques et la manutention. Les protons traversent la membrane de l’anode vers la cathode, tandis que les électrons parcourent le circuit externe pour alimenter la charge. Fonctionnant à une température inférieure à 100 °C, elle offre un démarrage rapide, une puissance spécifique élevée et un fonctionnement silencieux. Ses seuls rejets sont l’eau et la vapeur ; l’efficacité de conversion atteint 60 – 70 %.
Anode : 4H+ + 4e- = 2H2 Cathode : O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O Réaction globale : 2H2 + O2 = 2H2O + Chaleur
La PEMFC est déjà utilisée dans les bus, véhicules légers et chariots élévateurs. Ces dernières années, les véhicules à pile à combustible ont fait d’importants progrès ; leur autonomie et leur vitesse de pointe rivalisent désormais avec celles des voitures à essence.
Comment choisir
Si vous débutez dans ce domaine, je recommanderais la PEMFC : technologie mûre, prise en main simple et utilisation aisée pour la recherche fondamentale. Nous produisons également des PEMFC de plus petite taille sur mesure ; n’hésitez pas à nous contacter si cela vous intéresse.
