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.

Historique

• 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 exécute 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 particulièrement 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 toujours aujourd'hui élevé.

En 2007, il semble que les PAC fonctionnant au méthanol conçues pour alimenter l'électronique portable seront commercialisées avant celles conçues pour 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 façon à favoriser l'usage généralisé de ces PAC. Le Japon espère ainsi diminuer de 50 % ses émissions de CO₂ liées à la petite électronique, en proposant d'autre part des batteries dont l'autonomie sera multipliée par trois^[1].

Généralités

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 le plus souvent du platine. Si d'autres combinaisons sont envisageables, la pile la plus fréquemment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air.

Prospective : Certaines piles (utilisées sur les satellites) contiennent depuis les années 1960^[2] 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 par conséquent 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 ^[3]).

Pile à combustible à hydrogène

Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène est spécifiquement propre dans la mesure où il ne produit que de l'eau et consomme seulement des gaz. Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est particulièrement coûteuse, surtout à cause de la quantité non négligeable de platine indispensable.

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 par conséquent 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.

Par la suite, le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression généralement 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 le plus souvent assez faibles. Le dihydrogène n'est par conséquent pas une source d'énergie primaire, c'est un simple vecteur d'énergie complexe à produire ainsi qu'à stocker.

Principe de fonctionnement

La pile à combustible fonctionne à l'inverse de l'électrolyse de l'eau pure. Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique directement. C'est un générateur.

• Elle est comparable à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode scindées 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 le dioxygène O₂) et son réducteur (ici le dihydrogène H₂). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en dihydrogène et dioxygène. Le réducteur peut être aussi du méthanol ou du gaz naturel.

1. À l'anode, a lieu la réaction d'oxydation suivante : H₂ = 2H⁺ + 2e^–
2. Il y a par conséquent production de deux électrons par molécule de dihydrogène.
3. L'ion H⁺ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique.
4. À la cathode, les ions H⁺ sont consommés suivant la réaction de réduction : O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O

La force électromotrice (la tension à courant nul) théorique produite est de 1, 23 V pour une pile fonctionnant à 25 °C avec de l'oxygène et de l'hydrogène purs à 1 bar. En pratique, la tension apportée par une pile débitant un courant électrique évolue le plus souvent entre 0, 5 et 0, 8 V : cette perte de potentiel trouve son origine dans différents phénomènes physiques qui se produisent au niveau des électrodes, de l'électrolyte et des systèmes de distribution des réactifs et d'évacuation des produits (chutes ohmiques et tensions de contact) (en savoir plus).

• Une pile à combustible alimentée en hydrogène et en air ne produit que de l'eau dont on peut quelquefois observer directement la condensation quand elle fonctionne à basse température.

• Les réactions sont rendues envisageables 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 forme l'électrode à dihydrogène.

Pile à combustible au méthanol

Il existe deux types de piles à combustible au méthanol :

• Les piles RMFC (Reconstitued Methanol Fuel Cell)  : dans ces piles, le méthanol est reconstitué 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 reconstitué.

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

Tableau récapitulatif des différentes techniques de piles à combustible

Description	Électrolyte	Ions mis en œuvre	Gaz/liquide à l'anode	Gaz à la cathode	Puissance	Température de fonctionnement	Rendement électrique	Maturité	Domaine
AFC – Pile à combustible alcaline	Hydroxyde de potassium	OH–	dihydrogène	dioxygène	10 à 100 kW	60 °C à 90 °C	Stack : 60-70 % Dispositif : 62 %	Commercialisé/ Développement	Portable, transport
DBFC – Pile à combustible à hydrure de bore direct	Membrane protonique Membrane anionique	H+ OH–	NaBH4 liquide	dioxygène	250mW/cm²	20 °C à 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 °C à 100 °C	Stack : 50-70 % Dispositif : 30–50 %	Commercialisé/ Développement	portable, transport, stationnaire
DMFC – Pile à combustible à méthanol direct	Membrane polymère	H+	méthanol	dioxygène	mW à 100 kW	90 °C à 120 °C	Stack : 20–30 %	Commercialisé/ Développement	transport, stationnaire
DEFC – Pile à combustible à éthanol direct						90 °C à 120 °C		Développement
FAFC – Pile à combustible à acide formique						90 °C à 120 °C		Développement
PAFC – Pile à combustible à acide phosphorique	Acide phosphorique	H+	dihydrogène	dioxygène	jusqu'à 10 MW	environ 200 °C	Stack : 55 % Dispositif : 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 % Dispositif : 47 %	Développement/ Mise sur le marché	stationnaire
PCFC – Pile à combustible à céramique protonante						700 °C		Développement
SOFC – Pile à combustible à oxyde solide	Céramique	O2–	dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse	dioxygène	jusqu'à 100 MW	800 °C à 1 050 °C	Stack : 60–65 % Dispositif : 55–60 %	Développement	stationnaire

Applications et perspectives

Grâce aux progrès incessants de ces techniques, dont les premiers développements dans le domaine spatial remontent aux années 1960, ainsi qu'à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines. Surtout 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 dispositifs se heurte au faible rendement énergétique global de la totalité 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 toujours particulièrement 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^[4]. 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^[5]. Les chercheurs (en 2009) y sont japonais mais également nord-américains, allemands, français, coréens et chinois.

D'autres voies de stockage et de transport du dihydrogène sont envisagées pour diminuer les pertes, dont le conditionnement solide et stable du dihydrogène sous forme de pastilles aminées.

L'utilisation de la pile à combustible en cogénération, servant à valoriser la production thermique de la pile, est reconnue d'un point de vue environnemental (bruit, rejets) et technique comme avantageuse (si le dihydrogène est produit de manière propre et sûre) mais demeure toujours trop chère pour une utilisation courante.

Programmes de recherche ou de développement

Par zones géographiques

Les États-Unis développent de nombreux projets soutenus par le gouvernement, quelquefois 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 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 tout autant que de recherche, qui abrite aussi le Programme de Vancouver sur les véhicules à piles à combustible, mais aussi le projet d'autoroute de l'hydrogène de la Colombie britannique, épaulés par des laboratoires consacrés à l'alimentation en hydrogène ainsi qu'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 pourvue 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) ^[6].

Automobile

• BMW :

• BMW Hydrogen 7
• N'utilise pas de pile à combustible. C'est 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. La totalité du dispositif offre une puissance électrique atteignant 93 kW alimentant un moteur électrique synchrone de 73 kW soit 100 ch. Il autorise l'HydroGen4 de franchir le zéro à 100 km/h en 12 secondes à peu près. Le HydroGen4 dispose d'un dispositif 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^[7].

• Honda :

• Honda FCX Clarity : première voiture de série, commercialisé (en location) au Japon ainsi qu'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. Comparé 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 ^[8].

• 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 (au contraire de actuellement où les voitures électriques sont en leasing) ^[9].

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, dispositif 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

• Pôle de compétitivité Tenerrdis

Références

Voir aussi

•  Pile à combustible sur Commons

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