Pile à combustible alcaline

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Diagramme d'AFC 1:Hydrogène 2:Flux électronique 3:Charge 4:Oxygène 5:Cathode 6:Electrolyte 7:Anode 8:Eau 9:Ions hydroxyle

Les piles à combustible alcalines (ou AFC selon l'acronyme de l'appellation anglaise alkaline fuel cell) est une des technologies de piles à combustible les plus développées. C'est aussi une technologie qui fut employée lors des expéditions lunaires. Les agences spatiales ont utilisé les AFC dès le milieu des années 1960, lors des programmes Gemini, Apollo, Soyouz 7K-L3 et pour les navettes spatiales Shuttle et Bourane. Les AFC consomment de l'hydrogène et de l'oxygène pur en produisant de l'eau potable, de la chaleur et de l'électricité. Elles sont parmi les piles à combustible les plus efficaces, avec un potentiel atteignant les 70 %.

La pile à combustible produit de l'énergie grâce à une réaction d'oxydo-réduction entre l'hydrogène et l'oxygène. A l'anode, l'hydrogène est oxydé selon la réaction : $\mathrm{2H}_2 + \mathrm{4OH}^- \longrightarrow \mathrm{4H}_2\mathrm{O} + \mathrm{4e}^-$
produisant de l'eau et lâchant deux électrons. Les électrons transitent par un circuit externe et retournent à la cathode, où ils réduisent l'oxygène selon la réaction : $\mathrm{O}_2 + \mathrm{2H}_2\mathrm{O} + \mathrm{4e}^- \longrightarrow \mathrm{4OH}^-$
produisant des ions hydroxyde.

La réaction totale nette consomme une molécule d'oxygène (O₂) et deux d'hydrogène (H₂) pour produire deux molécules d'eau (H₂O). De l'électricité et de la chaleur sont créés, produits secondaires de la réaction.

Les électrodes sont séparées par une matrice poreuse saturée par une solution alcaline aqueuse, comme par exemple de l'hydroxyde de potassium (KOH). Les solutions aqueuses ne rejettent pas de dioxyde de carbone (CO₂) ce qui peut empoisonner facilement la pile. Pour cette raison, ce type de pile nécessite de l'oxygène pur, ou du moins de l'air purifié. Ces procédés sont relativement coûteux, ce qui fait que peu de développements continus sont produits sur la technologie AFC. La NASA a d'ailleurs opté pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons pour la prochaine génération de navettes spatiales.

Les AFC restent cependant les moins chères des piles à combustible à produire. Le catalyseur requis pour les électrodes peuvent être choisis parmi de nombreux produits chimiques relativement peu coûteux comparés à ceux requis pour d'autres types de piles à combustible.