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La Pile à Hydrogène

Dans le cas de la pile à hydrogène l'oxydant est le dioxygène et le réducteur est l'hydrogène. Les deux couples d'oxydo-réductions sont : H⁺_(aq)/H_2(g) et O_2(g)/H₂O_(l) ce qui nous donne les demis-équations : H₂ = 2H⁺ + 2e^- et O₂ + 4H⁺ + 4e^- = 2H₂O.
La fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode du dihydrogène, le combustible réducteur, couplée à la réduction sur l'autre électrode du dioxygène de l'air, qui est l'oxydant.
La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur, généralement du platine.
La pile à hydrogène n'est alors pas une source d'énergie, mais un convertisseur d'énergie.

En effet, alors qu’une pile classique transforme directement de l’énergie chimique en énergie électrique avec un fonctionnement discontinu, la pile à hydrogène vise à transformer de l’énergie chimique en énergie électrique, mais de façon continue.

La réaction de fonctionnement d'une pile à hydrogène se résume à : 2 H_{2 (g)} + O_{2 (g)}  → 2 H₂O _(l) Le principe de la pile à hydrogène remonte à la première moitié du XIXe siècle. Toutefois la difficulté de sa mise en œuvre d’un point de vue technologique a considérablement retardé sa diffusion.

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Voici une description des différents composants d'une pile à combustible de type PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell):

La Membrane : C'est l'une des caractéristiques essentielle de chaque type de pile. Contrairement aux AFC, où l'électrolyte était liquide, la membrane des PEMFC est solide ce qui évite la noyade des électrodes en cas d'excès de celui-ci et son assèchement en cas de fuite. Dans ce type d'électrolyte, les ions négatifs sont retenus dans la structure de la membrane. Seuls les ions hydrogène H⁺ sont mobiles et libres de transporter la charge positive à travers celle-ci, de l'anode vers la cathode pour produire le courant.
La conductivité ionique de la membrane dépend de la température, de la concentration en groupe acide et et de l'hydratation de la membrane : elle doit toujours rester saturée d'eau pour permettre le déplacement des ions H⁺ et éviter qu'elle ne se rompe.
La membrane épaisse de 50 à 200µm doit séparer efficacement les gaz et empecher les éléctrons de franchir la membrane. Elle doit aussi fonctionner à une température entre 60 et 90°C et à des pressions entre 1 et 5 bars pour avoir des performances obtimales.
Les électrodes : elles sont constitué de métaux précieux, surtout de platine. Les électrodes permettent de dissocier l'hydrogène pour le transfert des protons vers l'électrolyte.
Les Backings (plaques de diffusion) : ils entourent les électrodes, ils jouent un double role : permettre la diffusion des gaz jusqu'aux électrodes et permettre le transfert des électrons de l'anode vers la cathode. Leurs épaisseur varie entre 100 et 300 µm. Ils doivent être à la fois conducteurs et poreux (pour que les gaz puissent rentrer en contact avec la surface entière de la membrane) et permettent à la membrane d'évacuer de l'eau ou de l'humidifier.
Les plaques bipolaires : faites à partie de graphite haute densité ou de mousses métalliques, elles permettent d'assurer la distribution des gaz et l'évacuation de l'eau : pour cela, l'une des faces est parcourue de micro-canaux de dimensions de l'ordre de 0,8 mm. Ceux-ci sont aussi des collecteurs de courant en servant de raccord avec le reste de la voiture.
Pour ces raisons, elles doivent être conductibles, stables face aux réactifs, notamment par rapport à l'eau et aux acides et avoir une très faible perméabilité à l'hydrogène. Parallèlement, cet ensemble doit être léger pour limiter le poids total de la pile. Le prix est surtout dû aux canneaux difficiles à fabriquer.

Ce type de pile est très interressant pour leur taille et leur haut rendement énergétique(60%). De plus, elles ont un démarage rapide du fait de leur faibles températures. Du point de vue des coûts, ceux ci se décomposent en trois parties à peu près égales entre la membrane, les électrodes et les plaques bipolaires. Le défault de ses pile réside dans leur forte sensiblilité au CO.

Différents modèles de pile

Les premières piles à combustible ont été développées pour alimenter les capsules Gémini dont le premier vol non habité eut lieu le 8 avril 1964 et le premier vol habité le 23 mars 1965.

Depuis, l’industrie aéronautique et l’industrie spatiale restent les principales utilisatrices de ce type de générateur.

La première vertu de l'hydrogène est d'être propre. Sa recombinaison avec l'oxygène de l'air n'engendre, il est vrai, ni polluants locaux (particules, CO, Nox), ni CO₂.
Encore que cette affirmation soit à relativiser. Le procédé qui est actuellement couramment utilisé pour sa production, le reformage d'hydrocarbures, génère en effet du CO₂, et l'hydrogène industriellement produit à ce jour n'est ainsi pas totalement pur. Gaz de France estime que de l'hydrogène produit à partir de gaz génère 4 mg de Nox par kWh... tout de même cinq fois moins que les procédés thermiques les plus performants(cf partie 3).

Car malgré ses belles promesses, l'hydrogène, à l'état gazeux, a le gros défaut de ne pas être «compact » : un litre d'essence a le même pouvoir énergétique que... 1 500 litres d'hydrogène à pression ambiante ! C'est pourquoi l'usage de ce gaz suppose un transport et un stockage à haute pression. A 700 bars, par exemple, un litre d'essence équivaut à trois litres d'hydrogène. C'est la solution couramment admise dans l'automobile et pour les applications stationnaires. Pour aller plus loin en réduction de volume, il faut livrer le gaz sous forme liquide à -253° C. Si la production de froid est contraignante, en revanche le stockage et le transport se trouvent simplifiés du fait de la faible pression dans les réservoirs. C'est pourquoi, BMW promeut cette solution sur ses concept-cars.

De plus le stockage nécessite une grande attention dut au fait qu'il peut traverser les métaux. C'est un inconvénient majeur de l'hydrogène.(cf partie 3).

En conclusion, le fonctionnement d'une pile à hydrogène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais, encore aujourd'hui, la fabrication de ces piles reste très coûteuse notamment à cause de la quantité non négligeable de platine nécessaire.

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Partie 1 : Fonctionnement

Partie 2 : Avantages

Partie 3 : Inconvénients

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