Le fonctionnement de la pile à combustible
Sir William R. Grove, avocat britannique et passionné d’électrochimie, découvre le principe de la pile à combustible en 1839, en s’appuyant notamment sur les travaux de Christian Friedrich Schoenbein. Plus d’un siècle plus tard, dans les années 1930, Francis T. Bacon reprendra les travaux de Grove et sera le premier à fabriquer une pile à combustible, générant 1KW. Les premières applications de la pile à combustible dans les années 1960 nous emmènent dans l’espace, avec les missions GEMINI et APOLLO. Plus récemment, c’est l’industrie automobile, mais aussi l’industrie du portable qui s’intéressent fortement à l’application des principes mis en évidence par Grove.
Une pile à combustible est d’abord une pile : c’est un empilement de cellules produisant de l’électricité. Il s’agit d’un générateur d’électricité qui transforme l’énergie chimique d’un combustible en énergie électrique. Une pile à combustible est ainsi une pile où la production d'électricité se fait via l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant (l'oxygène de l'air). La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine.
Le schéma sur le principe de fonctionnement d’une pile à combustible représente une pile à combustible (une pile à hydrogène en l’occurrence) à membrane (polymère) qui échange les protons, sans laisser passer les électrons. L’électrolyte, qui peut être un milieu solide ou liquide, laisse passé les ions H+ tandis que les ions, qui ne peuvent passer par l’électrolyte, sont rejeté dans un circuit extérieur qui fournit le courant au moteur électrique du véhicule.
Pour bien comprendre comment fonctionne une pile à hydrogène (ou plus généralement une pile à combustible), il faut se rappeler que l’hydrogène est formé d’un électron (qui a une charge négative) et d’un proton (charge positive). L’anode est l’électrode négative et la cathode est l’électrode positive d’une pile à combustible (sachant qu’une électrode est un élément conducteur qui remplit des fonctions d'émission de captation ou de commande, par champ électrique, des électrons ou des ions). La pile à combustible fonctionne en consommant son oxydant (l’oxygène O2) et son réducteur (l’Hydrogène H2) et ce tant qu’elle reste approvisionnée en oxygène et en hydrogène. La réaction produit de l’électricité, de l’eau et de la chaleur (cette dernière peut être utilisée pour le chauffage du véhicule ou peut nécessité une extraction).
Pour le secteur automobile, la pile à combustible présente de avantages. Son plus gros avantage concerne le fait qu’une voiture qui roule avec une pile à hydrogène n’émet que de l’eau, ce qui est un moyen de lutter contre le changement climatique en évitant l’émission de gaz à effet de serre. En outre, elle est silencieuse, ne génère pas de vibration et sa puissance permet de la rendre compacte.
Il demeure des difficultés techniques quant à l’efficacité des membranes et des difficultés économiques liées au coût du catalyseur (le platine). Surtout, il existe d’importants problèmes liés au recours à l’hydrogène. Si l’hydrogène est l’élément le plus courant dans l’univers, il faut cependant l’extraire. Il faut donc un processus de production de l’hydrogène qui peut passer par différentes méthode : par vaporeformage, par électrolyse de l’eau ou par action de l’acide chlorhydrique. La production d’hydrogène consomme de l’énergie, et le recours à l’hydrogène n’est dès lors pas forcément totalement propre : tout dépend de la façon dont l’hydrogène a été produite. A côté des problèmes de production se posent des problèmes de stockage, et l’hydrogène pose des défis en termes de sécurité. L’hydrogène est un gaz classé « extrêmement inflammable » et les risques d’explosion sont réels.