Pile à combustible
Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.

La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine.Le fonctionnement d'une telle pile est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais de telles piles sont aujourd'hui hors de prix, notamment à cause des quantités non négligeables de platine qu'elles nécessitent.

Une des difficultés majeure réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. L'hydrogène n'existe en grandes quantités dans la nature que combiné à l'oxygène (H2O), au soufre (H2S) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles).

La production de dihydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique. Ensuite le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bar), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de méthane qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène.

Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction, sont généralement très décevants. L'hydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire, c'est un simple vecteur d'énergie difficile à produire et à stocker.

Principe de fonctionnement
La pile à combustible fonctionne à l'inverse de l'électrolyse de l'eau. Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique. C'est un générateur

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Elle ressemble à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure entre autres le passage du courant par transfert ionique des charges.

Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène. Le réducteur peut être du méthanol ou du gaz naturel.

A l'anode nous avons la réaction suivante:



Il y a donc production de 2 électrons par molécule d'hydrogène.
L'ion H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique.

A la cathode les ions H+ sont consommés suivant la réaction :


Les réactions sont rendues possibles par la présence d'un catalyseur de dissociation de la molécule de dihydrogène qui peut être une fine couche de platine divisé sur un support poreux qui constitue l'électrode à hydrogène.

Applications
Grace aux progrès incessants de cette technologie, dont les premiers développements dans le domaine spatial remontent aux années 1960, et à la baisse des prix, on commence à entrevoir son utilisation dans de nouveaux domaines, pour alimenter des prototypes d'ordinateurs portables, et plus intéressant de véhicules propres.

Cependant la viabilité industrielle à grande échelle de tels systèmes se heurte, de plein fouet, au faible rendement énergétique global de l'ensemble des opérations qui n'excède pas les 10%. En effet chaque étape (synthèse de l'hydrogène, séchage du gaz, stockage, vaporisation, rendement des réactions électrochimiques de la pile, circulation des fluides, régulation thermique, maintenance, récupération du platine, etc.) écorne un rendement global à la fin très décevant qui suppose donc la disponibilité d'une source d'énergie primaire économique et inépuisable à l'échelle humaine.

Le soleil et son dérivé la fusion nucléaire offrent des perspectives pour répondre à ce cahier des charges. D'autres voies de stockage et de transport de l'hydrogène peuvent aussi être envisagées pour réduire les pertes, comme par exemple le conditionnement solide et stable de l'hydrogène sous forme de pastilles aminées.

L'utilisation de la pile à combustible en cogénération, permettant de valoriser la production thermique de la pile, est considérée d'un point de vue environnemental et technique comme avantageuse mais demeure encore chère.