Les piles à combustible convertissent l’énergie chimique en électricité. Leur fonctionnement est similaire à celui des batteries, sauf que les réactifs chimiques d’une pile à combustible peuvent être reconstitués lorsqu’ils s’épuisent. Une pile à combustible est typiquement caractérisée par le type d’électrolyte utilisé, sa température de fonctionnement et ses applications possibles. La plupart des recherches sur les piles à combustible ont été centrées sur les applications automobiles, bien qu’elles soient également étudiées pour l’exploration spatiale.
Une caractéristique importante d’une pile à combustible est le type d’électrolyte utilisé. Un électrolyte dans une pile à combustible relie électriquement le combustible et l’oxydant tout en les maintenant physiquement séparés. Les électrolytes utilisés dans la technologie des piles à combustible peuvent être liquides ou solides, ce qui entraîne différents avantages et défis de conception.
Une façon utile de classer les piles à combustible est leur température de fonctionnement. De nombreuses conceptions, comme la pile à combustible à oxyde solide, nécessitent des températures de fonctionnement élevées pour atteindre une efficacité énergétique élevée. Les réactions à ces températures élevées peuvent souvent convertir plus d’énergie chimique interne en électricité, plutôt que de perdre beaucoup d’énergie par la chaleur résiduelle. Les piles à combustible avec des températures de fonctionnement plus basses, d’autre part, sont généralement plus portables. Les piles à combustible à membres d’échange polymère (PEMFC) sont à l’étude pour leur application prometteuse dans les transports.
Les PEMFC peuvent atteindre une efficacité relativement élevée tout en fonctionnant à une température inférieure à 212 degrés Fahrenheit (100 degrés Celsius). Une température de fonctionnement aussi basse permet à la pile à combustible de démarrer rapidement. Ce type de pile à combustible utilise également un film plastique solide comme électrolyte, ce qui rend l’étanchéité de la pile à combustible plus simple que pour d’autres types d’électrolytes. Cette combinaison de caractéristiques a fait du PEMFC un candidat idéal pour le remplacement des moteurs à combustion automobile.
Certains ont émis l’hypothèse que les piles à combustible finiraient par remplacer complètement les systèmes de transport à essence. Une économie basée sur l’hydrogène plutôt que sur le pétrole pourrait bénéficier de plusieurs avantages clés. Premièrement, les émissions des véhicules se limiteraient à la vapeur d’eau, qui ne constitue pas une menace environnementale évidente. Deuxièmement, les véhicules alimentés à l’hydrogène pourraient éventuellement s’avérer plus puissants par unité de masse de carburant. Enfin, l’approvisionnement en hydrogène pourrait potentiellement être une ressource renouvelable, contrairement aux combustibles fossiles, qui ne sont pas renouvelables.
Les piles à combustible alcalines sont du type utilisé dans l’exploration spatiale, y compris les vols spatiaux Apollo vers la lune. Ils combinent l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’électricité, libérant de la chaleur et de l’eau dans le processus. Une solution alcaline aqueuse est utilisée comme électrolyte dans ce type de pile à combustible. Les piles à combustible alcalines bénéficient d’un haut niveau de développement technologique et peuvent avoir un rendement électrique allant jusqu’à 60 %. Le coût de ces piles à combustible, cependant, a empêché leur adoption généralisée dans les applications terrestres.