Piles à combustible

Une pile à combustible est un dispositif de conversion électrochimique de l’énergie qui peut produire de l’électricité sous forme de courant continu en combinant le combustible et un oxydant dans une réaction chimique pour donner un produit résiduaire, soit habituellement un oxyde du combustible.

Chaque pile à combustible comprend deux électrodes, dont une est positive (cathode) et l’autre est négative (anode). La réaction qui produit de l’électricité se déroule aux électrodes en présence d’un électrolyte, qui transporte les particules chargées d’une électrode à l’autre pendant que les électrons circulent dans des fils externes placés entre les électrodes pour créer de l’électricité.

Une pile à combustible peut produire de l’électricité de manière continue, aussi longtemps qu’on maintient le débit nécessaire de combustible et d’oxydant.

Certaines piles à combustible produisent aussi peu que quelques watts, tandis que d’autres peuvent produire quelques centaines de kilowatts. Les piles plus petites se retrouveront probablement dans les ordinateurs portatifs et les téléphones cellulaires. Toutefois, les piles à combustible sont trop coûteuses pour devenir de petites génératrices servant à produire de l’électricité pour les résidences et les entreprises.

Manitoba Hydro poursuit son examen de divers genres de piles à combustible en vue d’une production d’électricité potentielle pour le réseau électrique ou d’une alimentation électrique de réserve pour des appareils tels que nos réémetteurs de télécommunications.

Dimensions économiques des piles à combustible

L’utilisation de l’hydrogène comme source de combustible entraîne des dépenses importantes. C’est pourquoi l’hydrogène est aujourd’hui une source non économique, en particulier parce qu’il est possible d’utiliser d’autres sources moins coûteuses.

Les coûts de production de l’hydrogène peuvent varier, car ils reflètent le coût des ressources dont il est extrait (p. ex., le pétrole brut).

Sources de combustibles pour les piles

On classe généralement les piles à combustible dans les catégories suivantes : piles à hydrogène, piles à combustible organique, piles à combustible métallique et piles d’oxydoréduction.

Lorsqu’on utilise l’hydrogène comme source de combustible, l’énergie chimique est convertie en électricité pendant un processus d’hydrolyse inversée pour ne donner que de l’eau et de la chaleur comme produits résiduaires. Cela signifie que les émissions polluantes d’une pile à combustible à l’hydrogène sont très faibles, mais qu’elles peuvent être plus ou moins élevées au cours de la production de l’hydrogène, en particulier s’il est produit à partir de combustibles fossiles (ce qui est souvent le cas).

Les piles à hydrogène sont réparties elles-mêmes en deux catégories, soit les piles à basse température et à température élevée, où les piles à température élevée peuvent également utiliser directement des combustibles organiques. Ces derniers se composent d’hydrocarbures tels que le mazout ou l’essence, l’alcool ou la biomasse.

Les autres sources de combustibles des piles comprennent, sans y être limitées, les alcools, le zinc, l’aluminium, le magnésium, des solutions ioniques et de nombreux hydrocarbures. Les autres oxydants comprennent, sans y être limités, l’air, le chlore et le dioxyde de chlore.

Genres de piles à combustible

À l’heure actuelle, il existe plusieurs genres de piles à combustible :

  • à membrane d’échange de protons*;
  • réversible (normalement avec une membrane d’échange de protons réversible);
  • alcaline*;
  • à carbonate fondu*;
  • à acide phosphorique*;
  • à céramique protonante*;
  • à oxyde solide*;
  • à méthanol direct;
  • métal-air (tel que le zinc);
  • d’oxydoréduction.

* Ces piles à hydrogène sont des sous-types de la pile à hydrogène, classées selon l’électrolyte utilisé entre l’anode et la cathode.

Pile à combustible à membrane d’échange de protons

Parmi les piles à combustible, la pile à hydrogène à basse température, en particulier la pile à combustible à membrane d’échange de protons a fait l’objet de la publicité la plus étendue.

Même si la pile à combustible à membrane d’échange de protons offre certains avantages tels qu’un niveau de pollution bas et un rendement énergétique raisonnable, les désavantages sont beaucoup plus importants.

  • Elle coûte environ cent fois plus cher qu’un moteur à combustion interne conventionnel.
  • Elle ne peut exercer toutes les fonctions d’un tel moteur, telles que l’utilisation d’un combustible primaire et la rotation des roues, sans équipement additionnel et pertes d’énergie.
  • Elle ne peut généralement fonctionner à une température inférieure à 3 °C et si l’eau produite gèle dans la pile, cette dernière sera endommagée.
  • Elle ne peut toujours pas fonctionner pendant l’hiver manitobain typique.
  • Les pertes d’énergie dues à la production, le stockage et le transport peuvent dépasser 50 %.