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La pile à combustible

Dans une pile à combustible, l’hydrogène se combine à l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité en ne rejetant que de l’eau.

Associé à la pile à combustible, l’hydrogène est un vecteur d’énergie propre qui permet de produire de l’électricité là où l’on en a besoin, notamment sur un lieu isolé du réseau électrique.

L’électrolyse de l’eau consomme de l’électricité pour produire hydrogène et oxygène. La pile à combustible (PAC), découverte en 1839, utilise le principe inverse. Plus précisément, devrait-on dire les piles à combustible, car il en existe différentes sortes. La plus utilisée pour équiper les véhicules utilise la technologie des membranes échangeuses de protons (PEM ou Proton Exchange Membrane en anglais).

L’électricité produite par la pile à combustible alimentée en hydrogène répond à de multiples besoins : l’alimentation électrique de zone isolée, l’alimentation de secours de sites sensibles ou encore la production d’électricité directement dans un véhicule pour une propulsion propre et silencieuse.

Comment ça marche ?

La pile à combustible utilise de l’hydrogène (H2) et de l’oxygène (O2) pour générer de l’électricité et de la chaleur, en n’émettant que de l’eau. La molécule d’hydrogène H2 est constituée de deux atomes contenant chacun un noyau positif, appelé « proton » ou H+, et un électron.

Pour la technologie appelée PEM (Proton Exchange Membrane ou membrane échangeuse de protons), le dispositif électrochimique contient une membrane insérée entre deux plaques métalliques conductrices. Cette membrane en polymère laisse seulement traverser les protons H+, les noyaux des atomes d’hydrogène.

La molécule d’hydrogène arrive au contact des électrodes. La réaction est déclenchée grâce à un catalyseur constitué de nanoparticules de platine déposées sur des grains de carbone. À son contact, la molécule d’hydrogène donne naissance à deux protons et à deux électrons.

Les protons traversent la membrane et se dirigent vers l’autre pôle de la cellule. Les électrons, qui ne peuvent pas franchir cette barrière, passent dans le circuit électrique. Simultanément de l’autre côté de la membrane au contact d’un nouveau catalyseur, les protons réagissent avec l’oxygène et les électrons du circuit pour former de l’eau, le seul rejet de la pile.

Cette réaction non polluante se produit dans chacune des cellules de base qui sont associées pour constituer un module d’énergie de la puissance souhaitée. Une pile à combustible est un assemblage de plusieurs cellules en série ou en parallèle dans un « stack », permettant d’obtenir différentes tensions et puissances.

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cH2ange - Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?

cH2ange est une initiative sur les réseaux sociaux portée par le groupe Air Liquide, centrée autour de la place de l’hydrogène dans la transition énergétique. Soyez vous aussi acteurs du changement en rejoignant cH2ange.
 
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Pile à combustible pour alimentation de sites isolés
L’hydrogène permet d’assurer en permanence la disponibilité de l’électricité en se substituant au réseau électrique classique.

Ses avantages

Le rendement d’une pile à combustible varie entre 30 et 70%. Il est généralement de 50%, c’est-à-dire que 50% de l’énergie de l’hydrogène est convertie en électricité et 50% en chaleur. Le couple pile à combustible – moteur électrique (lui aussi d’un très bon rendement) est ainsi plus efficace qu’un moteur à combustion interne.

La pile à combustible est très silencieuse. Seuls certains organes comme le compresseur et le système de ventilation produisent un léger bruit. Au final, la pile à combustible n’émet que de faibles émissions sonores de l’ordre de 40 à 50 dB à 1 m, ce qui est bien moins que le bruit généré par une conversation normale, de l’ordre de 60 dB.

La pile est constituée de cellules élémentaires. Mises en série ou en parallèle, elles permettent d’obtenir un courant électrique de tension et d’intensité parfaitement adaptées à l’utilisation désirée.

Les tests réalisés sur des piles à combustible ont déjà démontré une durée de vie compatible avec leur utilisation dans un véhicule à hydrogène ou une application stationnaire autonome.

Les piles à combustible PEM consomment environ 0,8 Nm3 d’hydrogène par kWh produit. Pour une voiture, il faut 1 kg d’hydrogène pour parcourir 100 km.

© L.Lelong - PE.Rastoin