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Pour la voiture propre de demain, on envisage l'avènement d'une véritable "économie de l'hydrogène", car cet élément, inépuisable à l'échelle de la planète, peut devenir un vecteur énergétique aussi important que l'électricité.

  
DossiersPile à combustible - La fée hydrogène : l'énergie de demain ?
 

Les recherches sur de multiples technologies de piles à combustible sont en effervescence. Cette diversification ouvre la voie à de nombreuses offres d'énergie non polluante, qui vont des véhicules aux centrales électriques, en passant par des applications portables.

La pile à combustible (PaC) est une "très vieille innovation". Très simple, le principe de base de son fonctionnement a été découvert et démontré, dès 1839, par le physicien anglais William Grove (voir schéma ci-dessous).

Pendant plus d'un siècle, la primauté du développement des machines thermiques et des accumulateurs électriques éclipsa cependant cette invention. Celle-ci ne fut plus guère étudiée en dehors de certains développements en laboratoire, restés sans écho.

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Découvert dès 1839, le principe de la pile à combustible est extrêmement simple. Deux électrodes reliées extérieurement par un circuit électrique et séparées par un électrolyte sont alimentées, en présence d'un catalyseur, l'une par de l'hydrogène - qui fait office de combustible -, l'autre par de l'oxygène atmosphérique.

L'atome d'hydrogène à l'anode se scinde en formant un proton ou ion H+, chargé positivement, et un électron. L'ion migre à travers l'électrolyte vers la cathode, où il se combine avec l'oxygène pour former de l'eau (et un dégagement de chaleur), tandis que l'électron parcourt le circuit électrique en donnant naissance à un courant.Sa mise en application varie toutefois beaucoup selon la forme d'hydrogène amenée à l'anode (ce peuvent être des éléments chimiques contenant de l'hydrogène) et la nature des électrolytes.

  • Coup de pouce venu de l'Espace

La première, la recherche spatiale remettra à l'honneur l'usage contemporain des PaC. Dans les années '60, la NASA choisit, en effet, de se tourner vers des générateurs de ce type pour équiper les engins des programmes Gemini et Apollo. Le développement des technologies très spécifiques des PaC utilisées dans l'Espace n'a cessé de progresser et de s'appliquer depuis lors.

A partir des décennies '70 et '80, cette démonstration spatiale a conduit, surtout outre-Atlantique et au Japon, à un intérêt croissant pour cette filière, en particulier dans le monde de l'automobile et pour diverses applications dites "stationnaires". Ces recherches ont ouvert une grande diversification des options technologiques. Outre l'alimentation classique des premières piles nécessitant de l'hydrogène pur (obtenu par électrolyse), se sont développées des PaC fonctionnant avec de l'hydrogène produit par reformage d'hydrocarbures (essence, gaz naturel, éthanol), mais également à partir de méthanol provenant de la biomasse et du gaz carbonique.

Cet élargissement du spectre des combustibles diminue certes la "propreté" du procédé, en réintroduisant des émissions de carbone, mais sans commune mesure toutefois avec les nuisances des moteurs à combustion interne. En revanche, le reformage a considérablement accru l'intérêt des piles à combustible en autorisant des processus de production d'hydrogène largement répandus et maîtrisés sur le plan industriel.

  • Une famille nombreuse

Par ailleurs, la diversification porte sur les types d'électrolyte à travers lesquels transitent les ions H+ ou O- en fonction du type de PaC. On trouve ainsi des piles à potasse alcaline (développées principalement dans le secteur spatial), à l'acide phosphorique (technologie la plus "mature" à l'heure actuelle, mais limitée dans ses applications), à membrane polymère, à carbonates fondus, à oxyde solideChaque catégorie présente des propriétés spécifiques du point de vue de l'alimentation en combustible, des températures de fonctionnement et des applications en découlant.

Les progrès les plus prometteurs - sur lesquels se sont concentrés les programmes européens - concernent d'abord la famille des membranes polymères (dite PEMFC*). Ce type de PaC peut être alimenté à l'hydrogène pur ou reformé, avec des températures de fonctionnement comprises entre 80°C et 100°C. Il équipe en particulier les principaux prototypes automobiles attendus prochainement sur le marché ainsi que des applications stationnaires de petite puissance, notamment dans le secteur résidentiel.

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Une seconde catégorie de piles à membrane polymère, dont le combustible est le méthanol (DMFC*), intéresse plus particulièrement les applications "portables" de faible puissance (téléphonie mobile, informatique, etc.). Son développement se heurte cependant, à l'heure actuelle, à un certain nombre d'obstacles technologiques.

Fonctionnant à des températures beaucoup plus élevées (600 à 1 000°C), les PaC à carbonate (MCFC*) et à oxyde solide (SOFC*) sont en compétition pour le développement d'unités de forte puissance permettant la cogénération d'électricité et de chaleur, ainsi que pour des applications maritimes. Elles présentent des rendements élevés et peuvent être alimentées avec des combustibles variés - méthane, méthanol, biogaz, charbon gazéifié.

* Lexique des sigles de Piles à combustible (Fuel Cell - FC)

- AFC (Alkalin) : Alcaline (surtout dans le créneau spatial)
- PEMFC (Polymer Exchange Membran) : à membrane polymère échangeuse de protons
- DMFC (Direct Methanol): au méthanol direct
- PAFC (Phosphoric Acid): à l'acide phosphorique
- MCFC (Molten Carbonate) : à carbonates fondus
- SOFC (Solid Oxyd) : à oxyde solide

  • Recherches européennes en crescendo

    L'Europe s'est investie de plus en plus substantiellement dans l'enjeu des piles à combustible depuis une dizaine d'années. Au niveau de l'Union, de nombreux projets de R&D et de démonstration leur ont été consacrés dans le quatrième programme-cadre (1994-1998), appuyés par une aide financière de 54 millions €.

    Cette impulsion s'est poursuivie dans le programme suivant (1998-2002) où quelque 150 millions € ont été apportés en soutien à quelque 70 projets consacrés aux PaC et à l'hydrogène. La plupart des projets sur les PaC étaient spécifiquement ciblés sur la technologie des électrolytes à membrane polymère, actuellement la plus prometteuse en termes de marché. L'enjeu est notamment de mettre au point des piles à membrane (PEMFC et DMFC) fonctionnant à des températures plus élevées (de 80 à 180°C) que les PaC développées jusqu'ici, ce qui en améliorerait les performances tout en en diminuant le coût.