Fonctionnement et entretien d'une pile à combustible

Le principe de la pile à combustible a été découvert en 1838 par le physicien germano-suisse Christian Friedrich Schönbein. Il a baigné deux fils de platine dans de l'acide sulfurique (électrolyte) avec de l'hydrogène et de l'oxygène et a pu constater une tension électrique entre les fils. Le physicien britannique Sir William Grove était également impliqué. Déjà à l'époque, de nombreux scientifiques postulaient que l'eau pourrait être le charbon du futur. Mais bien sûr, la production d'hydrogène nécessitait déjà de l'électricité à l'époque. Aujourd'hui, dans le meilleur des cas, nous parlons d'hydrogène vert, produit à partir d'électricité issue d'énergies renouvelables.

Une pile à combustible est un convertisseur d'énergie. L'énergie de réaction chimique de l'hydrogène et de l'oxygène est convertie en énergie électrique et thermique. L'oxydation de l'hydrogène et la réduction de l'oxygène se font par séparation spatiale à l'aide d'un électrolyte. La réaction violente du fameux « test du gaz d'explosion », ou plutôt l'énergie libérée lors de la réaction de l'hydrogène et de l'oxygène en eau, peut être exploitée.
Il existe de nombreux types de piles à combustible, qui utilisent par exemple le gaz naturel ou le méthanol comme combustible, ainsi que d'autres électrolytes ou oxydants. Le type le plus courant pour les applications dans les voitures/camions est toutefois la pile à combustible hydrogène-oxygène, par exemple la pile à combustible PEM à basse température (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC).

Le cœur de la pile à combustible PEM est appelé le stack. Le stack contient une multitude de membranes d'échange de protons disposées en série, qui sont perméables aux protons tout en empêchant le transport de l'hydrogène et de l'oxygène. Chaque membrane (électrolyte solide) se compose d'une feuille centrale sur laquelle sont appliquées alternativement les électrodes (anode (-) / cathode (+)), ainsi qu'un catalyseur. La PEM est enveloppée d'une couche de diffusion ouverte aux gaz.

Des plaques dites bipolaires sont disposées autour de chaque unité électrode-membrane du stack : la plaque anodique conduisant l'hydrogène et la plaque cathodique conduisant l'oxygène. Les plaques bipolaires servent à répartir de manière homogène l'hydrogène et l'oxygène, à assurer l'étanchéité avec l'extérieur ainsi que le refroidissement de la pile à combustible et la connexion électrique des cellules. Elles se caractérisent par des canaux complexes et sont généralement réalisées en graphite, en métal ou en matériaux composites.

Au centre de la pile à combustible PEM se trouve la membrane, prenant la forme d'une plaque rectangulaire, enveloppée dans les plaques bipolaires. L'anode est alimentée en hydrogène et la cathode en oxygène. Les deux électrodes sont reliées entre elles. Le catalyseur en métal précieux assure la scission des molécules de gaz. Les molécules d'hydrogène (H2) sont scindées en deux protons. Chaque atome d'hydrogène cède alors son électron. Les protons migrent ensuite à travers la membrane semi-perméable vers la cathode opposée, chargée positivement, tandis que les électrons font le détour par la ligne de connexion entre l'anode et la cathode. Lorsque les protons et les électrons de l'hydrogène arrivent du côté de la cathode, l'oxygène qui s'y trouve produit de l'eau par réaction. Le sous-produit de cette réaction chimique est non seulement la chaleur, mais aussi l'énergie électrique. Une tension peut être prélevée sur les plaques d'extrémité ou à la jonction de l'anode et de la cathode.

Par exemple, des filtres à air spéciaux la protègent également contre les particules les plus fines. Pour adsorber les gaz nocifs contenus dans l'air, le filtre est en outre équipé de couches de charbon actif ou d'autres médias adsorbants. Ceux-ci fixent les gaz nocifs et assurent la protection de la pile à combustible. Les exigences en matière de filtration de l'air sont nettement plus élevées pour les piles à combustible que pour les moteurs à combustion.

Un air trop sec assèche la membrane du stack des piles à combustible. Cela peut diminuer la résistance mécanique de la membrane responsable du transport des protons. Un humidificateur permet de transférer le produit de la réaction, l'eau, de l'air sortant, du côté humide, vers l'air entrant, du côté sec de la pile à combustible.

Cependant, si l'humidité de l'air est trop élevée, elle peut se condenser en gouttelettes d'eau. Celles-ci peuvent bloquer les structures fines de la couche de diffusion gazeuse ou de la couche microporeuse. De même, les gouttes d'eau qui tombent sur le côté turbine du compresseur électrique ont un effet négatif sur la durabilité de la pile à combustible. C'est pourquoi on utilise en plus des séparateurs d'eau.

Les piles à combustible sont également intéressantes du point de vue acoustique, car elles n'impliquent aucun composant mécanique par opposition avec le moteur à combustion. Des bruits gênants peuvent toutefois apparaître au niveau du compresseur électrique, ainsi que des bruits d'écoulement dans les conduites. Des résonateurs correspondants atténuent les bruits indésirables.

Le stack des piles à combustible ne nécessite (théoriquement) aucun entretien et est conçu pour un grand nombre d'heures de fonctionnement. Les éléments filtrants doivent cependant être remplacés à intervalles réguliers. Le granulé dans l'échangeur d'ions est également spécifique au système et assure la conductivité du liquide de refroidissement dans la bonne plage. Ce dernier doit également être changé à intervalles définis. Il en va de même pour le filtre à air cathodique. Il doit également être changé régulièrement. À cela s'ajoute le circuit de refroidissement. Il renferme d'autres composants nécessitant un entretien, notamment le filtre échangeur d'ions et le filtre à particules du liquide de refroidissement. Les ateliers spécialisés dans la maintenance automobile et poids-lourds ne devraient donc pas manquer de travail, même pour l'entretien des véhicules équipés d'une pile à combustible.

Les véhicules à pile à combustible, en particulier les camions, se montrent avantageux là où de grandes distances et des temps de ravitaillement rapides sont nécessaires. Ils peuvent être ravitaillés en quelques minutes. Selon l'analyse dite Well2Wheel (de la production d'hydrogène à l'énergie de propulsion), la pile à combustible atteint, d'après les experts, un rendement de 30 à 40 %. Les carburants synthétiques (également à base d'hydrogène vert) se situent dans une fourchette d'efficacité d'environ 20 à 40 %. Les véhicules électriques à batterie affichent certes des valeurs nettement plus élevées (60 à 70 %), mais ils sont encore limités par le temps de charge et l'autonomie. En principe, les valeurs dépendent toutefois fortement de la technologie concernée, des conditions du site, de la source d'énergie, ainsi que d'autres facteurs. Les progrès technologiques rapides peuvent continuer à influencer fortement le rendement de chacune des trois technologies à l'avenir.
L'hydrogène en tant que carburant représente cependant une possibilité très intéressante de dissocier la production d'hydrogène vert et son utilisation, tant au niveau local que temporel, et de pouvoir ainsi proposer des systèmes d'entraînement efficaces et respectueux de l'environnement. La pile à combustible est donc une option très intéressante dans le mix de propulsion du futur.