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.

Historique

1839 Découverte de l' effet 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...) par le suisse Christian Schönbein

1839-1842 Réalisation du premier modèle de laboratoire de pile à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.) par William R. Grove

1932 Reprise des études au sujet de la pile à combustible par Francis T. Bacon, qui réalise un premier prototype de 1kW en 1953, puis 5kW en 1959. Ce prototype servira de modèle pour les futures piles à combustible utilisées lors des missions spatiales Apollo.

Le très long laps de temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se...) (plus d'un siècle) qui s'est écoulé entre la réalisation du premier modèle de pile à combustible et les premières utilisations s'explique par le très fort développement qu'ont connu les autres types de générateurs d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité...) et par le fait que le coût des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé.

Généralités

Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) 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 (Table complète - Table étendue) est accélérée par un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas...) qui est généralement du platine. Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile hydrogène-oxygène ou hydrogène-air.

Pile à combustible à l'hydrogène

Le fonctionnement d'une pile hydrogène-oxygène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un composé chimique simple, mais avec des propriétés complexes à cause de sa polarisation...) et consomme uniquement des gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi indépendants (pour plus de détails, voir gaz réels).). Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection...) non négligeable de platine nécessaire.

Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en hydrogène. Sur Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil.), l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H₂O), au soufre (H₂S) et au carbone (Table complète - Table étendue) (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production d'hydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique (Le thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de...) ou électrochimique.

Ensuite, l'hydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bars), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de méthane (Le méthane (R50) est un hydrocarbure de la famille des alcanes.) qui seront ensuite transformés pour libérer de l'hydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état de gazeux à liquide, le contraire de l'évaporation, la vaporisation ou de l'ébullition. On parle parfois de condensation...), sont généralement assez faibles. L'hydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas...), c'est un simple vecteur (En mathématiques, le vecteur est un objet véhiculant plus d'information que les nombres usuels, ou scalaires, et sur lequel on peut effectuer des opérations simples.) d'énergie difficile à produire et à stocker.

Le principe de fonctionnement

La pile à combustible fonctionne à l'inverse de l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau. Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique directement. C'est un générateur.

• Elle est semblable à une pile ordinaire. Elle possède une cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne négative du générateur extérieur...) et une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction...) 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 aussi du méthanol ou du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures trouvé naturellement sous forme gazeuse. C'est la deuxième source d'énergie la plus utilisée dans le monde après le pétrole et son usage se développe rapidement.).

1. À l'anode, a lieu la réaction suivante : H₂ → 2H⁺ + 2e^–
2. Il y a donc production de 2 électrons par molécule de dihydrogène.
3. L'ion H⁺ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) par transfert des électrons dans le circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques parcouru par un courant électrique.).
4. À la cathode, les ions H⁺ sont consommés suivant la réaction : O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O

La tension (La tension est une force d'extension.) théorique produite est de 1.23 Volt.

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

Pile à combustible au méthanol

Il existe deux types de piles à combustible au méthanol :

• Les piles RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell) : dans ces piles, le méthanol est reformé pour produire l'hydrogène qui alimentera la pile.
• Les piles DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) : dans ces piles, le méthanol est directement oxydé dans le cœur de la pile et ne nécessite pas d'être reformé.

Tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) récapitulatif des différentes technologies de piles à combustible

Description	Électrolyte	Ions mis en œuvre	Gaz à l'anode	Gaz à la cathode	Puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :)	Température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définit par l'équilibre de transfert de chaleur avec d'autres systèmes.) de fonctionnement	Rendement électrique	Maturité	Domaine
AFC – Pile à combustible alcaline	Hydroxyde de potassium	OH–	dihydrogène	dioxygène	10 à 100 kW	60°C – 90°C	Stack : 60–70 % Système : 62 %	Commercialisé/ Développement	Portable, transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.)
DBFC – Pile à combustible à hydrure de bore direct	Membrane protonique Membrane anionique	H+ OH–	NaBH4 liquide (La phase liquide est un état de la matière.)	oxygène	250mW/cm²	20°C – 80°C	50% monocellule	Développement	portable <20W
PEMFC – Pile à combustible à membrane d'échange de protons	Membrane polymère	H+	dihydrogène	dioxygène	0,1 à 500 kW	60–100°C	Stack : 50–70 % Système : 30–50 %	Commercialisé/ Développement	portable, transport, stationnaire
DMFC – Pile à combustible à méthanol direct	Membrane polymère	H+	méthanol	dioxygène	mW à 100 kW	90–120°C	Stack : 20–30 %	Commercialisé/ Développement	transport, stationnaire
DEFC – Pile à combustible à éthanol direct						90–120°C		Développement
FAFC – Pile à combustible à acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) formique						90–120°C		Développement
PAFC – Pile à combustible à acide phosphorique	Acide phosphorique	H+	dihydrogène	dioxygène	jusqu'à 10 MW	environ 200°C	Stack : 55 % Système : 40 %	Développement	transport, stationnaire
MCFC – Pile à combustible à carbonate fondu	Carbonate de métaux alcalins	CO32–	dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse	dioxygène	jusqu'à 100 MW	environ 650°C	Stack : 55 % Système : 47 %	Développement/ Mise sur le marché	stationnaire
PCFC – Pile à combustible à céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation physico-chimique irréversible au...) protonante						700°C		Développement
SOFC – Pile à combustible à oxyde solide	Céramique	O2–	dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse	dioxygène	jusqu'à 100 MW	800–1050°C	Stack : 60–65 % Système : 55–60 %	Développement	stationnaire

Applications et perspectives

Grâce aux progrès incessants de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), dont les premiers développements dans le domaine spatial remontent aux années 1960, et à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines. Notamment pour alimenter des prototypes d'ordinateurs portables, de téléphones portables ou d'appareils photo ou encore de véhicules propres.

Cependant, la viabilité industrielle à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de...) de tels systèmes se heurte au faible rendement énergétique global de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble, désigne intuitivement une collection d’objets (que l'on appelle éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des opérations. En effet, chaque étape (synthèse de l'hydrogène, séchage du gaz, stockage, vaporisation, rendement des réactions électrochimiques de la pile, circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) des fluides, régulation (« Régulation » redirige ici. Pour les autres significations, voir Régulation (homonymie) ) thermique, maintenance, récupération du platine, etc.) écorne un rendement global encore très décevant. Il suppose donc la disponibilité d'une source d'énergie primaire économique et inépuisable à l'échelle humaine.

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 (Graphie) de vue environnemental et technique comme avantageuse mais demeure encore trop chère pour une utilisation courante.

Programmes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) ou de développement

Par zones géographiques

Les USA développent de nombreux projets soutenus par le gouvernement, parfois présentés comme une des solutions majeures contre le réchauffement climatique.

Au Canada, l'Institut d'Innovation en Piles à Combustible du Conseil National de Recherches du Canada (IIPC-CNRC), a été créé en septembre 2006 sur 6500 m², en Colombie britannique (UBC), dans la grappe technologique de la région de Vancouver, pilote dans ce domaine.
Il vise à développer l'industrie de l'hydrogène et des piles à combustible au Canada. C’est une plate-forme de démonstration (En mathématiques, une démonstration est un raisonnement qui permet, à partir de certains axiomes, d'établir qu'une assertion est nécessairement vraie.) autant que de recherche, qui abrite aussi le Programme de Vancouver sur les véhicules à piles à combustible, ainsi que le projet (Un projet est - dans un contexte professionnel - une aventure temporaire entreprise dans le but de créer un produit ou un service unique:) d’autoroute (Une autoroute est une route réservée à la circulation des véhicules motorisés rapides (automobiles, motos, poids lourds) et dont le tracé permet de circuler...) de l'hydrogène de la Colombie britannique, épaulés par des labos consacrés à l'alimentation en hydrogène et aux technologies de piles à combustible intégrées. Le site dispose de pompes géothermiques et de moyens photovoltaïques de production d'hydrogène.

En France, l’ADEME, EDF et le CEA ont installé un RESEAU "PILE A COMBUSTIBLE le 25 juin 1999 piloté par Catherine Ronge, directrice R&D d'Air liquide et Roger Ballay, directeur adjoint de la recherche à EDF, co-animé par l'ADEME et le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) avec pour mission d’accélérer les recherches sur la pile à combustible en identifiant les verrous technologiques, en animer la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) autour d’un pôle d'expertise susceptible de valoriser et diffuser les avancées de la recherche, de développer les partenariats public-privé une réflexion prospective sur le développement de ces technologies.

Automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en...)

• Daimler :

• NECAR
• Toute une famille de véhicules avec différents types de combustible (hydrogène gazeux, méthanol,...). A ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...) (2007) Daimler a construit le plus grand nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) de véhicules utilisant une pile à combustible (plus de 60).

• Ford :

• Focus FCV

• General Motors :

• Hydrogen 3 présenté en mai 2004.
• Sequel voiture. La pile à hydrogène de 73 kW est alimentée par trois bouteilles à gaz bobinées composite de dihydrogène de 700 bars (2005).
• Chevy Volt: concept présenté en janvier 2007 au salon automobile de Detroit (Détroit (en anglais: Detroit, API: [d??t????t]) est la principale ville de l'État du Michigan aux États-Unis, largement plus connue que sa capitale Lansing, et...) (USA).

• Michelin :

• prototype de voiture Hy-light fonctionnant avec une pile à hydrogène (présentation en mars 2005). La pile est alimentée par du dihydrogène provenant de trois bouteilles haute pression (La pression est la force exercée sur une surface donnée.) bobinées composite.

• PSA :

• Projet GENEPAC (2002-2006) mené en collaboration avec le CÉA. Pile hydrogène de type PEMFC de 80 kW.

• Toyota :

• Voiture cinq places FCHV-4 et bus FCHV-US1. Ces programmes ont été présentés pour la première fois en 2001. Ils comportent une pile à hydrogène de 90 kW.

• Suzuki (en collaboration avec General Motors) :

• Prototype de voiture Mr Wagon FCW'. La pile à hydrogène est alimentée par du dihydrogène contenu dans des réservoirs à 700 bars.

• Hyundai :

• Tucson FCEV : voiture hybride. La pile à hydrogène de 80 kW est alimentée par une bouteille (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de chaque côté du tableau arrière servant de toilettes aux officiers du bord.) à gaz bobinée composite.

• Honda :

• Honda FCX

• Hummer :

• Hummer O2

• Peugeot (Peugeot est une marque de constructeur automobile français fondée par Armand Peugeot de la famille Peugeot en 1896. Le siège est à Paris et les bureaux...)

• Le modèle expérimental 207 CC

• BMW (Bayerische Motoren Werke AG Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft.ogg  ou BMW (en français : manufacture bavaroise de moteurs) est une société industrielle...):

• BMW Hydrogen 7
• N'utilise pas de pile à combustible. Il s'agit d'un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) classique utilisant de l'hydrogène comme combustible.

Autres domaines

• Axane (Air liquide) :

• Evopac, système d'alimentation autonome alimenté par du dihydrogène.

• Système de refroidissement par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) inspiré des plantes vertes pour les piles à combustible des ordinateurs portables de demain.

• Cambridge Consultants