La pile AFC (Alkaline fuel cell) est utilisée depuis les années 50: elle se trouvait à bord des premiers vols spatiaux habités. Depuis, elles ont été utilisées dans les applications spatiales (Apollo), automobiles et militaires (sous-marins et véhicules armés).

Caractéristiques des piles AFC

L'électrolyte

La pile AFC a un électrolyte de type alcalin, en général de la potasse (ou hydroxyde de potassium) KOH (30 à 45% en masse, soit 8 à 12 moles/litre). Il s'agit donc d'un électrolyte liquide. Sa température de fonctionnement varie auour de 80-90°C, mais cette température peut être plus élevée pour un fonctionnement sous pression (piles Bacon, jusqu'à 200-230°C) ou avec un électrolyte plus concentré (piles Apollo). L'électrolyte peut être soit avec de la potasse circulante, soit immobile (membrane, impregnée de potasse). Cependant, les ions hydroxyde de l'électrolyte sont susceptibles de réagir avec le dioxyde de carbone (de l'air ou présent dans l'hydrogène) pour former un composé de carbonate selon:

ce qui réduit la conductivité de l'électrolyte. D'où la nécessité de travailler avec de l'oxygène et de l'hydrogène purs, ce qui exclut l'utilisation d'air ou d'hydrogène reformé.

Les réactions

Les réactions à l'anode et à la cathode sont les suivantes:
à l'anode, avec un catalyseur au nickel (Nickel de Raney) ou au platine-palladium, on a :

à la cathode, avec un catalyseur à base de charbon actif (argenté ou non) , on a:

On observe une meilleure cinétique qu'en milieu acide, d'où des intensités surfaciques et des rendements excellents. De plus, le fait d'avoir des électrodes en nickel ou en charbon actif, et non systématiquement en platine permet de réduire le coût global du système.

Autres caractéristiques

L'inconvénient majeur de ce type de pile est sa sensibilité au dioxyde de carbone (CO₂). Ceci implique d'une part une purification poussée de l'hydrogène et donc une élimination totale du CO₂, dans le cas où celui-ci est obtenu par vaporéformage d'un autre combustible, ainsi que l'élimination du CO₂ contenu dans l'air. Astris Inc. fabricant de piles AFC annonce la création d'une pile fonctionnant à l'hydrogène et à l'air avec une résistance accrue face au CO₂.

Utilisation des piles AFC

Applications aérospatiales

La première pile AFC à être utilisée dans une application spatiale fut conçue par Francis Bacon dans les années 50. D'une puissance de 6 kW, elle comprenait 40 cellules, les électrodes étaient en Nickel (anode) et en oxyde de Nickel dopé au Lithium (cathode). Elle fonctionnait sous pression (50 bar), et donc à des températures élevées (200°C).

Les premières piles AFC (type Bacon) furent utilisées dans les programmes spatiaux de la NASA. Elles fonctionnaient sous des conditions relativement exigeantes: une température de plus de 200°C pour une pression de 3,3 bar. Ces piles ont été utilisées pour des missions lunaires, les missions Skylab et Apollo-Soyouz. Dès 1974, des piles de 12 kW furent développées: fonctionnant à des température proches de 90°C sous une pression de 4 bar, elles atteignent des performances bien supérieures en termes de Puissance/Masse. Dans leur utilisation comme générateur d'électricité à bord des véhicules spatiaux et dans les sous-marins, elles utilisent un électrolyte liquide avec une solution d'hydroxyde de potassium circulant entre l'hydrogène et l'oxygène ou l'air.

Applications automobiles

En Europe, un constructeur, l'anglais ZeTek Power Corporation (ex Elenco), produit ce type de piles pour un taxi électrique utilisant des batteries de 70kW: il s'agit d'un taxi hybride, un véhicule "zero emissions" pouvant être inséré en ville. La difficulté majeure consiste à alimenter la pile avec de l'hydrogène pur. Ce constructeur a aussi construit des prototypes de petits bateaux et des camionnettes: il s'agit là de modules de 2,5 à 10 kW. Elle a mis au point un procédé pour éliminer le CO₂: une fibre en composite de carbone dont la surface peut absorber le CO₂ par accumulation sélective du gaz avant qu'il ne pénètre dans la pile. Ce dispositif peut aussi être employé pour éliminer le CO₂ de l'hydrogène obtenu par reformage d'autres carburants (gaz naturel). Mais c'est encore une recherche en cours de développement. Les plaques d'interconnexion de ce type de pile sont en nickel ou en acier inoxydable. Des recherches sont en cours chez ZeTek Power Corporation pour arriver à produire ces plaques de façon peu coûteuse.

Le taxi de Zetek

D'autres entreprises sont aussi impliquées dans les piles AFC pour les applications automobiles:
Astris Inc. a développpé un véhicule de golf avec une pile et des batteries: il est alimenté en hydrogène gazeux, dispose d'une pile de 3,6 kW. Astris envisage aussi d'utiliser ces piles pour des travaux d'expérimentation, de démonstration (écoles) ou des applications portables et de secours.
La firme Electric Auto Corporation qui a changé de nom pour devenir Apollo Energy Systems, Inc., s'intéresse aux piles et batteries dans des véhicules électriques du type véhicule de golf, de proximité.

Applications stationnaires

Ces piles pourraient être utilisées dans des applications de secours (militaire, alimentation pour des centres informatiques). L'entreprise Greenvolt développe des piles AFC de faible puissance pense à une approche modulaire avec des stacks de 3 à 5 kW.

Les piles AFC peuvent trouver des débouchés dans des applications exigeantes et coûteuses mais pas pour des applications de masse dans le domaine automobile ou stationnaire.