Les piles à combustible en termes simples
Les piles à combustible sont une technologie innovante destinée à révolutionner la façon dont le monde produit de l’électricité. Surnommées « batteries du futur », elles constituent une alternative propre et très efficace aux systèmes à combustion traditionnels comme le moteur à combustion interne (ICE).
Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?
Considérez les piles à combustible comme un type spécial de batterie. L’objectif final d’une batterie et d’une pile à combustible est le même : produire de l’électricité pour alimenter une application. La principale différence entre les deux réside dans la provenance de l’énergie.
Considérez les batteries comme un conteneur de stockage pré-rempli. Ils contiennent déjà de l'électricité stockée à l'intérieur, prête à l'emploi et ne nécessitent aucune source de combustible supplémentaire.
Les piles à combustible sont le contraire. Ils ne stockent pas l'électricité, ils la créent. Les piles à combustible génèrent de l'électricité par une réaction chimique, convertissant directement l'énergie d'une source de combustible en énergie électrique. Cette électricité peut ensuite être utilisée pour alimenter ses applications.
Par exemple, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) constituent actuellement la priorité des véhicules à pile à combustible (FCV). Les piles à combustible PEM utilisent de l'hydrogène pour produire de l'électricité. Cette électricité est injectée dans une batterie, qui alimente ensuite un moteur électrique pour propulser le véhicule en mouvement.
Parties d'une pile à combustible
Bien que les piles à combustible soient constituées de plusieurs couches de matériaux variés, il y a trois éléments clés à connaître :
• Membrane électrolytique
• Couches de catalyseur (anode et cathode)
• Couches de diffusion de gaz
Ces trois composants constituent l’ensemble membrane-électrode (MEA) de la pile à combustible. Parfois appelé « le cœur » de la cellule, le MEA est l’endroit où l’électricité est produite. Quel que soit le type, une pile à combustible aura toujours une anode, une cathode et une membrane électrolytique. La différence réside dans le matériau dont est faite la membrane électrolytique.
La membrane électrolytique
La membrane sépare les deux couches de catalyseur. Il joue le rôle de gardien de la pile à combustible. Son rôle est de permettre uniquement aux particules chargées positivement nécessaires de passer d'un côté à l'autre du catalyseur tout en empêchant les particules chargées négativement de traverser. C’est également à partir de ce composant que les piles à combustible tirent leur nom. Une pile à combustible dotée d’une membrane électrolytique polymère est appelée pile à combustible PEM.
Les couches de catalyseur
Une pile à combustible comporte deux couches de catalyseur. Chaque couche est constituée d'un revêtement d'électrode en matériau catalyseur. La membrane est prise en sandwich entre eux. D’un côté se trouve une électrode négative (anode) et de l’autre une électrode positive (cathode). La couche anodique absorbe le combustible et le sépare en protons et électrons. La couche cathodique absorbe l’oxygène et convertit l’oxygène, les protons et les électrons en eau et en chaleur.
Couches de diffusion de gaz (GDL)
Pendant que l'anode et la cathode font leur part, les GDL se trouvent à l'extérieur des couches de catalyseur pour diffuser les gaz issus du processus chimique et éliminer l'eau du produit. Les GDL aident à prévenir l’accumulation excessive d’eau et aident à équilibrer la rétention d’eau et la libération d’eau. La rétention d'eau est nécessaire pour maintenir la conductivité de la membrane, et la libération d'eau est nécessaire pour maintenir les pores des GDL ouverts afin que l'hydrogène et l'oxygène puissent se diffuser dans les électrodes.
Comment les piles à combustible produisent de l'électricité
Une série de réactions chimiques se produisent dans la cellule pour séparer les électrons des molécules de combustible afin de produire de l'électricité. Dans le cas de l’hydrogène, l’hydrogène gazeux est introduit dans la pile à combustible du côté de l’anode tandis que l’oxygène est introduit dans la cathode. A l'anode, les molécules d'hydrogène sont séparées en protons et en électrons. Les particules positives et négatives parcourent alors deux chemins différents.
Les électrons se déplacent vers un circuit électrique externe avant de continuer vers la cathode. Le circuit externe est l'endroit où un flux d'électricité est créé. Les particules positives traversent la membrane jusqu'à la cathode. Une fois sur place, les protons se réunissent avec les électrons et réagissent avec l’oxygène pour produire de l’eau et de la chaleur.
Pourquoi les piles à combustible comme alternative à l'ICE ?
L’absence de combustion est un argument de vente important pour investir et adopter les technologies des piles à combustible. Alors que les moteurs ICE et les centrales électriques traditionnelles nécessitent une combustion pour convertir le carburant en énergie, ce n’est pas le cas d’une pile à combustible. Il convertit le carburant en électricité grâce à un processus électrochimique non combustible. Puisqu’il n’y a pas de combustion, aucune émission nocive n’est associée à la production électrique. Les seuls sous-produits sont l’eau pure et la chaleur.
Parce qu’elles peuvent fournir une énergie propre pour diverses applications, les industries se tournent vers les piles à combustible lorsqu’elles cherchent à adopter des technologies qui les permettront d’atteindre leurs objectifs d’émissions. Les piles à combustible font déjà progresser le secteur du transport commercial en alimentant les camions lourds, les bus, les trains et les navires. Les industries, les sociétés de services publics et les institutions telles que les centres de données, les hôpitaux et les universités comptent également sur les piles à combustible. Ces applications stationnaires incluent l’alimentation de secours, l’écrêtement des pointes et la production d’énergie portable et auxiliaire.
Alors que la crise climatique est au premier plan des préoccupations de tous, les industries sont impatientes de se tourner vers des solutions énergétiques plus respectueuses de l’environnement. Les piles à combustible sont une solution très prometteuse, mais ce n’est pas pour rien qu’on les appelle « batteries du futur ». Des progrès ont été réalisés au cours des 20 dernières années, et d’autres progrès sont nécessaires avant que les semi-remorques à pile à combustible ne circulent sur toutes les autoroutes. Mais chez Accelera™ by Cummins, nous sommes convaincus que nous y arriverons. Nous investissons activement dans les piles à combustible PEM pour le transport des véhicules commerciaux et l’énergie stationnaire, convaincus qu’elles constituent une solution vitale qui accélérera la transition vers zéro émission.
Après tout, les piles à combustible ont contribué à envoyer les premiers humains sur la Lune en 1969. Alors, si la NASA peut le faire, pourquoi pas nous ?
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