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.

• 1839 : Découverte de l'effet pile à combustible par l'allemand Christian Schönbein.

• 1839-1842 : Réalisation du premier modèle de laboratoire de pile à combustible 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 1 kW en 1953, puis 5 kW 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 (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 et par le fait que le coût des matériaux utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé.

En 2007, il semble que les PAC fonctionnant au méthanol destinées à alimenter l'électronique portable seront commercialisées avant celles destinées à l'industrie automobile.

Ce n'est que mi-2007 que sous l'égide du Japon un début de réflexion sur des normes, règles et standards de fabrication et de sûreté a commencé, de manière à faciliter l'usage généralisé de ces PAC. Le Japon espère ainsi réduire de 50 % ses émissions de CO liées à la petite électronique, en proposant par ailleurs des batteries dont l'autonomie sera multipliée par trois.

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 le dihydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que le dioxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air.

Perspective :

• Certaines piles (utilisées sur les satellites) contiennent depuis les années 1960 des membranes en polymères (électrolyte solide acide ou alcalin) rendu conducteur, prenant la forme d'une fine membrane séparant les deux électrodes. Ces polymères contiennent du platine (rare, polluant et coûteux ; on lui cherche donc des alternatives, avec en test en Chine un polymère (polysulfone ou quaternary ammonium polysulphone ou QAPS) avec une cathode (côté oxygène) en argent et une anode (côté hydrogène) en nickel plaquée de chrome ).
• En 2010, des chercheurs américains et allemands ont proposé d'intégrer un catalyseur supplémentaire, moins coûteux et qui pourrait diviser par deux la quantité de platine des piles à combustibles « Nature Chemistry »  ; il s'agit de nanosphères construites avec des atomes de platine et de cuivre, dont les particules de cuivre sont par la suite en partie extraites, laissant une sorte de nanocoquille de platine de quelques atomes d'épaisseur. La méthode de production de ces nanosphères est telle qu'elle diminue leur capacité de fixation de l'oxygène, ce qui favorise la formation d'eau en rendant la pile plus productive. Selon cette équipe ceci pourrait réduire de 80 % le prix des piles à combustible. Ce procédé pourrait être appliqué à d'autres métaux pour produire d'autres types de catalyseurs pouvant par exemple permettre une production d'hydrogène et d'oxygène à partir d'eau comme stockage chimique de l'énergie électrique produire par des éoliennes ou des panneaux solaires, avant de la restituer sous forme d'électricité.

Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité non négligeable de platine nécessaire.

Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. Sur Terre, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H₂O, c'est-à-dire l'eau), au soufre (sulfure d'hyrogène, H₂S) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz naturel 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 bars), 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 assez faibles. Le dihydrogène 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

Le principe de la pile à combustible est l'inverse d'une électrolyse. La réaction chimique produite par l'oxydation et la rencontre de gaz produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. Une pile a combustible produit une tension électrique de 1.2 volts environ et une chaleur pouvant monter jusqu'a 60-80°C. L'eau est évacuée sous forme de vapeur avec l'excédent de dioxygène. Il existe plusieurs types de piles a combustibles, dont les plus connus sont:

• la pile à membrane échangeuse de protons.
• la pile à oxyde solide.

La pile a membrane échangeuse de protons.

Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons comporte:

• deux plaques bipolaires:

1. une pour distribuer l'hydrogène.
2. une pour distribuer l'oxygène et évacuer l'eau

• deux électrodes : une anode et une cathode pour faire circuler le courant électrique (électrons).

• une membrane échangeuse de protons : bloque le passage des électrons et laisse passer les ions H+

• deux catalyseurs : accélèrent les réactions entre gaz.

L'hydrogène (provenant d'une électrolyse ou d'un réformage d'hydrocabures) entre par la plaque bipolaire gauche. Arrivé a l'anode, le dihydrogène (H) se dissocie (oxydation) en protons et en électrons selon: 2H=4H+ + 4e-. Les protons traversent alors la membrane, mais les électrons, bloqués, sont contraints d'emprunter un circuit exterieur, ce qui va générer un courant électrique.

A la cathode, les protons, les électrons, et du dioxygène (pur ou provenant de l'air) se rencontrent pour former de l'eau selon : 2H+ + 2e- + 1/2 O= HO. L'eau et le dioxygène passent par la plaque bipolaire droite. Cette réaction va produire également de la chaleur pouvant être récupérée.

La pile à oxyde solide

Le principe est similaire. La seule différence est que la membrane échangeuse de protons est remplacée par une autre membrane appelée "membrane a oxyde solide". Les molécules dans la pile à combustible ne vont alors pas réagir de la même façon:

• Dans un premier temps, l'hydrogène entre par la plaque bipolaire gauche et arrive sur l'anode.
• Là, l'hydrogène se dissocie (2H=4H+ + 4e-).(jusque là, aucun changement).
• Les électrons (e-) emprunteront un circuit exterieur, mais les ions (H+), au lieu de traverser la membrane, resteront sur l'électrode.
• Après avoir traversé les dipôles, les électrons rejoignent la cathode chargée en dioxygène. Les deux molécules vont

former un assemblage de molécules appelé (O²-).

• Les O- traversent la membrane, se combinent avec les ions pour former de l'eau selon: 4H+ + 4e- + 1/2 O= 2H+ 1/2 O= HO

Mais cette sorte de pile n'est pas plus performante que la pile à membrane échangeuse de protons et sa fabrication coûte plus cher.

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.

Contrairement aux piles utilisant l'hydrogène, celles-ci ne sont pas "propres" car elles rejettent du CO₂ et même du monoxyde de carbone (CO).

Grâce aux progrès incessants de ces techniques, 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 de tels systèmes se heurte au faible rendement énergétique global de l'ensemble des opérations. 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.) réduit un rendement global encore très décevant. En 2009, des chercheurs japonais ont réussi à maintenir un rendement de 56 % pendant plusieurs centaines d'heures avec une pile de 3 kW. Dans le cadre du projet HiPer-FC (High Performance Fuel Cell) lancé par la NEDO en 2008, un Centre de Recherche sur les Nanomatériaux pour les Piles à Combustible travaille depuis le 25 août 2009. Les chercheurs (en 2009) y sont japonais mais aussi nord-américains, allemands, français, coréens et chinois.

D'autres voies de stockage et de transport du dihydrogène sont envisagées pour réduire les pertes, dont le conditionnement solide et stable du dihydrogène 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 (bruit, rejets) et technique comme avantageuse (si le dihydrogène est produit de manière propre et sûre) mais demeure encore trop chère pour une utilisation courante.

Par zones géographiques

Les États-Unis 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 6 500 m, 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 autant que de recherche, qui abrite aussi le Programme de Vancouver sur les véhicules à piles à combustible, ainsi que le projet d’autoroute de l'hydrogène de la Colombie britannique, épaulés par des laboratoires consacrés à l'alimentation en hydrogène et aux techniques de piles à combustible intégrées. Le site dispose de pompes géothermiques et de moyens photovoltaïques de production d'hydrogène.

L'Europe s'est dotée en 2008 d'un cadre (règlement européen) pour le développement des véhicules à hydrogène (comme combustible), mais soutient aussi des projets de recherche sur les piles à hydrogène

En France, l’ADEME, EDF et le CEA ont installé un réseau "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'Énergie Atomique (CEA). Ce réseau avait pour missions d’accélérer les recherches sur la pile à combustible en identifiant les verrous technologiques, d'animer la communauté scientifique autour d’un pôle d'expertise susceptible de valoriser et diffuser les avancées de la recherche, de développer les partenariats public-privé et une réflexion prospective sur le développement de ces techniques.

Depuis 2005, en France, le réseau PACo a été remplacé par le programme PANH (Plan d'action sur l'hydrogène et les piles à combustible) de l'ANR (Agence nationale de la recherche)

Dans le nord de la France, le laboratoire de nanotechnologies de l'Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie a réalisé en mai 2009 une pile à combustible de très petites dimensions (5 x 3.6 mm).

Automobile

• BMW :

• BMW Hydrogen 7

• N'utilise pas de pile à combustible. Il s'agit d'un moteur à combustion classique utilisant de l'hydrogène comme combustible.

• Daimler :

• NECAR

• Toute une famille de véhicules avec différents types de combustible (hydrogène gazeux, méthanol...). À ce jour (2007) Daimler a construit le plus grand nombre de véhicules utilisant une pile à combustible (plus de 100). Mercedes a d'ailleurs annoncé la production en série pour le grand public de la classe B Hydrogène en 2010.

• Ford :

• Focus FCV

• General Motors :

• 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 (États-Unis).

• Hydrogen 4 présenté le 6 mars 2008 au 78ème Salon International de l’Automobile de Genève (Suisse). La pile à combustible du GM HydroGen4 se compose de 440 cellules connectées en série. L’ensemble du système offre une puissance électrique atteignant 93 kW alimentant un moteur électrique synchrone de 73 kW soit 100 ch. Il permet à l’HydroGen4 de franchir le zéro à 100 km/h en 12 secondes environ. Le HydroGen4 dispose d’un système de stockage comprenant trois réservoirs à haute pression de 700 bars réalisés en fibre de carbone, pouvant contenir 4,2 kg d'hydrogène. Ce qui permet une autonomie atteignant 320 kilomètres.

• Honda :

• Honda FCX Clarity : première voiture de série, commercialisé (en location) au Japon et aux États-Unis (État de Californie). Véhicule 5 places, équipé d'un réservoir d'une pression de 350 bars.

• Honda CR-X

• Hummer :

• Hummer O2

• Hyundai :

• Tucson FCEV : voiture hybride. La pile à hydrogène de 80 kW est alimentée par une bouteille à gaz bobinée composite.

• 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 bobinées composite.

• prototype de voiture Hy-light 2 fonctionnant avec une pile à combustible fabriqué par Michelin même. Elle a été présentée en septembre 2007. Par rapport à la hy-light, la 2ème génération possède des batteries et plus des supercapacités.

• PSA :

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

• Le modèle expérimental 207 CC

• Renault-Nissan

• en 2008 présentation du prototypes Renault scénic ZEV H2 à pile à combustible .

• 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.

• 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.

• Prévu pour 2015, Toyota annonce (juin 2009) le développement de voitures électriques entièrement fondées sur les piles à combustion en vente (contrairement à aujourd'hui où les voitures électriques sont en leasing).

Autres domaines

• Tracteur : Prototype de tracteur fonctionnant à l'hydrogène (New Holland)

• Production électrique stationnaire

• produits de la société américaine Fuel Cell Energy

• Axane (Air liquide) : Evopac, système d'alimentation autonome alimenté par du dihydrogène.

• Système de refroidissement par évaporation inspiré des plantes vertes pour les piles à combustible des ordinateurs portables de demain.

• Cambridge Consultants

• Aéronautique : Antares DLR-H2 , hydrogen Flying Tour

• Pôle de compétitivité Tenerrdis