La longue période (plus d'un siècle) qui s'est écoulée 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 degénérateurs d'énergie électrique et par le fait que le coût des matériaux utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé[3].
Piscine municipale deWoking. Première expérience anglaise de pile à combustible fonctionnant encogénération (production simultanée de chaleur et d'électricité).
Depuis 1977, certaines piles à combustible (utilisées sur les satellites) contiennent des membranes enpolymères (électrolyte solide acide ou alcalin) rendus conducteurs, prenant la forme d'une fine membrane séparant les deux électrodes[6]. Ces électrodes contiennent duplatine, qui agit comme catalyseur de la réaction. S'agissant d'un métal rare,polluant et coûteux, on lui cherche donc des alternatives ; on teste, par exemple enChine, un polymère (polysulfone ou polysulfone à ammonium quaternaire)[a] avec une cathode (côté oxygène) en argent et une anode (côté hydrogène) ennickel plaquée dechrome[7].
En 2010, des chercheurs américains et des chercheurs allemands[b] ont proposé d'intégrer un catalyseur supplémentaire, moins coûteux et qui pourrait diviser par deux la quantité de platine des piles à combustible[8] ; il s'agit de nanosphères construites avec des atomes de platine et decuivre, 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 cela 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 produite par des éoliennes ou despanneaux solaires, avant de la restituer sous forme d'électricité.
Le fonctionnement d'une piledihydrogène-dioxygène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau. Mais jusqu'en 2010, la fabrication de ces piles était très coûteuse, notamment à cause de la quantité non négligeable deplatine nécessaire et au coût des membranes échangeuses d'ions[9].
Le principe de la pile à combustible est inverse de celui d'uneélectrolyse[10]. La réaction chimique produite par l'oxydation et la rencontre de gaz produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. Le fonctionnement de la pile à combustible nécessite un approvisionnement en combustible, le plus utilisé étant l'hydrogène. Une cellule de pile à combustible produit une tension électrique d'environ 0,7 à 0,8 V[11], selon la charge (densité de courant) et produit de la chaleur. Leur température de fonctionnement varie de60 à 1 050 °C selon les modèles[2]. L'eau est généralement évacuée sous forme de vapeur avec l'excédent de dioxygène.
Les types de piles à combustible les plus connus sont la pile à membrane échangeuse de protons et la pile à oxyde solide.
Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons comporte :
deux plaques bipolaires :
une pour distribuer l'hydrogène,
une autre pour distribuer l'oxygène et évacuer l'eau ;
deuxélectrodes : une anode et une cathode pour faire circuler le courant électrique (électrons) ;
une membrane échangeuse de protons faisant fonction d'électrolyte : elle est isolante, c'est-à-dire qu'elle bloque le passage des électrons tout en laissant passer les ions H+ (protons) ;
des catalyseurs (platine) qui accélèrent les réactions entre les gaz.
L'hydrogène sous forme diatomique (dihydrogène H2) entre par la plaque bipolaire à gauche sur la figure.
Arrivé à l'anode, il se dissocie en ions (H+) et en électrons (e−) selon la réaction 2 H2 = 4 H+ + 4 e−. Les ions traversent alors la membrane, mais les électrons, bloqués, sont contraints d'emprunter un circuit extérieur, ce qui va engendrer un courant électrique.
À la cathode, les ions hydrogène, les électrons et du dioxygène (pur ou provenant de l'air) se rencontrent pour former de l'eau selon la réaction : 4 H+ + 4 e− + O2 = 2 H2O. L'eau et le dioxygène passent par la plaque bipolaire droite. Cette réaction produit également de la chaleur pouvant être récupérée.
Le principe est similaire. La seule différence est que la membrane échangeuse de protons est remplacée par une autre membrane appelée « membrane à oxyde solide ». Les molécules dans la pile à combustible ne vont alors pas réagir de la même façon :
dans un premier temps, le dihydrogène entre par la plaque bipolaire à gauche sur la figure, et arrive sur l'anode ;
là, le dihydrogène se dissocie : 2 H2 = 4 H+ + 4 e− (jusque-là, aucun changement) ;
les électrons (e−) empruntent un circuit extérieur, mais lesions H+ (protons), au lieu de traverser la membrane, restent sur l'électrode ;
après avoir traversé les dipôles, les électrons rejoignent la cathode chargée en dioxygène. Chaquemolécule de dioxygène va fixer quatre électrons pour donner deux ions doublement négatifs d'oxygène selon : O2 + 4e− → 2 O2− ;
les ions O2− traversent l'électrolyte et se combinent avec les protons H+ pour former de l'eau : 4 H+ + 2 O2− = 2 H2 + O2 = 2 H2O.
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.
Ces piles ne peuvent être « propres » que si le méthanol est obtenu parméthanolisation, car elles rejettent duCO2 et même duCO qui peuvent toutefois être récupérés[13].
Le rendement global, qui est le rapport entre la quantité d'électricité produite par la pile à hydrogène et la quantité d'électricité dépensée dans l'électrolyse pour synthétiser de l'hydrogène, est assez faible.
Ungroupe électrogène permet un rendement de 25 % et une pile à hydrogène peut atteindre 50 à 60 % de rendement électrique, ou plus s'il existe un besoin pour la chaleur de récupération[15] mais les rendements énergétiques cumulés de la synthèse du dihydrogène et de la compression ou liquéfaction sont encore assez faibles. Ici, le dihydrogène n'est pas une source d'énergie primaire ; c'est unvecteur d'énergie.
Les piles à combustible alimentées à l'hydrogène sont utilisées pour alimenter plusieurs prototypes devoitures électriques[19],[20] et de bus électriques[21]. Des trains pour des lignes ferroviaires non électrifiées entrent en service en 2020 en Allemagne et les premiers essais en France ont lieu en 2023[22]. La technologie produit aussi depuis 2022 de l'électricité à bord d'un navire de croisière[23].
Le 5 décembre 2023,Symbio, coentreprise deStellantis,Michelin etForvia, inaugure son usine SymphonHy àSaint-Fons (Rhône), dont la capacité devrait atteindre 50 000 systèmes de piles à hydrogène destinés au marché des utilitaires, puis à celui des poids lourds à partir de 2027[24].
Les applications stationnaires se centrent principalement dans des système de cogénération de petite puissance, des applications de grande puissance et des systèmes d'alimentation sans interruptions (UPS en anglais)[25].
Les systèmes de cogénération domestique, ou micro-cogénération, sont des appareils de chauffage domestiques intégrant une pile à combustible. Ils permettent de produire de la chaleur et de l'électricité simultanément.
En Europe, plusieurs fabricants de micro-cogénérations à pile à combustible testent sur le terrain des prototypes pré-commerciaux dans douze pays européens[28],[29]. En, le projet de laCommission européenneene.field etPace vise à développer des piles à combustible domestiques pour les particuliers, avec plusieurs marques associées à ce projet[30].Pace projette en 2017 d'installer en cinq ans 2 650 exemplaires de micro-cogénérateurs en Europe, avec quatre industriels impliqués afin d'ouvrir un marché (objectif : 800 000 piles à combustible installées par an en 2050 en substitut aux chaudières à condensation[30]).
Les piles à combustible sont envisagées pour alimenter divers appareils nomades, tels que des téléphones ou des ordinateurs portables. La viabilité industrielle se heurte encore à un rendement énergétique global assez faible compte tenu du fait que chaque étape (synthèse de l'hydrogène, séchage du gaz,stockage,vaporisation, rendement desréactions électrochimiques de la pile, circulation des fluides, régulation thermique, maintenance, récupération duplatine, etc.) contribue à unrendement global encore décevant.
En 2009, des chercheurs japonais ont atteint un rendement de 56 % pendant plusieurs centaines d'heures avec une pile de 3 kW[31]. En 2017, presque 200 000 unités étaient installées en maisons individuelles[30]. Dans le cadre du projetHiPer-FC (High Performance Fuel Cell) lancé par la NEDO en 2008, un « Centre de recherche sur les nanomatériaux pour les piles à combustible » y travaille depuis le[32].
En 2017, à l'occasion duForum économique mondial de Davos, est créé leConseil de l'hydrogène, une initiative mondiale de grandes entreprises du secteur de l’énergie, des transports et de l’industrie pour développer l’économie de l’hydrogène et des piles à combustible[33].
LesÉtats-Unis développent de nombreux projets soutenus par le gouvernement, parfois présentés comme une des solutions majeures contre leréchauffement climatique.
AuCanada, l'Institut d'innovation en piles à combustible du Conseil national de recherches du Canada (IIPC-CNRC) a été créé en sur 6 500 m2, enColombie-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
EnFrance, l’ADEME,EDF et leCEA ont installé un réseau « Pile à Combustible » (PACo) le 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.
En 2005, le réseau français PACo a été remplacé par le programme PAN-H (Plan d'action sur l'hydrogène et les piles à combustible, 2005-2008) de l’ANR (Agence nationale de la recherche), suivi du programme HPAC (Hydrogène et piles à combustible) entre 2009 et 2010. Les différents axes de recherches des programmes Pan-H et HPAC ont été positionnés — ou repositionnés — en 2010 dans les programmes PROGELEC (Production renouvelable et gestion de l’électricité) et TTD (Transport terrestre durable) de l'ANR.
EnMartinique, un système de pile à hydrogène baptisé Cleargen est inauguré le par laSociété anonyme de la raffinerie des Antilles (SARA). La pile, fournie par Hydrogène de France (HDF), utilise le procédé d‘électrolyse inverse de l’eau pour fabriquer de l’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène ; elle utilisera l’excédent d’hydrogène produit par la raffinerie pour alimenter le réseau électrique de l’île, à la demande, avec une puissance d'un mégawatt, ce qui permet d'alimenter environ 2 000 foyers[35].
En mai 2023, la jeune société grenobloise Inocel, créée en 2021, annonce le choix deBelfort pour construire une usine de fabrication de piles à combustibles à basse température d'une puissance unitaire de 300 kW, fruit de deux ans de développement au sein duCEA-Liten et destinée aux marchés du stationnaire, de la marine et de la mobilité lourde terrestre. Inocel aurait déjà enregistré un milliard d'euros d'intentions d'achats. L'usine devrait démarrer en puis monter en cadence pour atteindre, à terme, une capacité de 30 000 piles par an[36].
En 2007, sous l'égide duJapon, est amorcée une réflexion sur des normes, règles et standards de fabrication et de sûreté, de manière à faciliter l'usage généralisé des piles à combustible ou à hydrogène.
Quelques années auparavant, sur l'initiative du Premier ministreKoizumi[37], il a été possible en un peu plus de24 mois de :
revoir les 28 codes contenus dans les six lois qui régissaient l’utilisation de l’hydrogène et des piles à combustible dans le domaine grand public ;
définir un programme de lancement de chaudières électrogènes à pile a combustible par Tokyo Gas[38] (subventionné par l’État) ; ce programme se poursuit par l'introduction de la deuxième génération d’équipements Ene-Farm en 2011[39] ;
garantir aux nouveaux utilisateurs dix ans de service après-vente en échange d’informations sur le comportement et les rendements de l’installation ;
équiper les services du Premier ministre, le, de deux véhicules hydrogène (FCEV), l'un fourni par Toyota, l'autre par Honda ;
installer dans la résidence du Premier ministre, le, une pile à combustible en cogénération[40].
Le Japon espère ainsi réduire de 50 % sesémissions de dioxyde de carbone liées à la petite électronique, en proposant par ailleurs des batteries dont l'autonomie serait multipliée par trois.
Cette section contient une ou plusieurslistes. Le texte gagnerait à être rédigé sous la forme de paragraphes synthétiques. Les listes peuvent demeurer si elles sont introduites par une partie rédigée et sourcée, de façon à bien resituer les différents éléments (septembre 2015).
L’utilisation de piles à hydrogène dans l’automobile, qui est en concurrence avec d'autres types devoitures à pile à combustible, s’appuie sur plusieurs schémas :
tout hydrogène ou « full power » : c’est une pile à hydrogène dont on fait varier la puissance de sortie qui alimente directement le ou les moteurs électriques de propulsion (en anglais FCEV) ;
hybride ou « mid range » : la pile à hydrogène en fonctionnant dans une plage étroite fournit de l’électricité qui est utilisée par le ou les moteurs ou pour recharger une batterie de capacité limitée (en anglais FCHEV) ;
à prolongateur d’autonomie ou « range extender » : une petite pile à hydrogène vient recharger la batterie d’un véhicule électrique en assurant éventuellement le chauffage de l’habitacle (en anglais EREV).
Exemples de modèles produits : prototype i8 de 2015 (pile de la Toyota Mirai), prototype i Hydrogen NEXT développé sur la base d’un X5 et présenté lors dusalon de l'automobile de Francfort de 2019. Dans son communiqué de presse de présentation du prototype[42], BMW annonce que ce prototype préfigure en fait une petite série qui serait présentée à l'horizon 2022, pour qu'ensuite, au plus tôt en 2025, d'autres véhicules soient proposés selon les exigences du marché et la situation générale.
Leconcept car Ener-G-Force fonctionnant grâce à une pile à combustible alimentée avec des réservoirs d'eau montés sur le toit a été présenté au salon de Los Angeles en 2012. Il a aussi construit la NECAR et la F-Cell : toute une famille de véhicules avec différents types de combustible (hydrogène gazeux, méthanol, etc.)[43]. À ce jour (2010), Daimler a construit le plus grand nombre de véhicules utilisant une pile à combustible (plus de cent). Mercedes a annoncé la production en série pour le grand public de laclasse B F-Cell Hydrogène en 2017[44].
Les 26 et, laGreenGT H2 est la première voiture à hydrogène à rouler sur le circuit des24 Heures du Mans.
La GreenGT H2 est le premierprototype de compétition électrique-hydrogène, la genèse de laGreenGT H2 débute en 2009. Elle est officiellement présentée le dans le cadre de la journée d'essais des24 Heures du Mans[47]. Elle est alors non roulante et reçoit une livrée noir et orange. Le, elle fait l'objet d'une première présentation dynamique publique sur lecircuit Paul-Ricard dans le cadre de la manche française de lacoupe du monde des voitures de tourisme[48]. Arborant une nouvelle livrée bleu clair et blanc, elle est alors conduite parOlivier Panis, ancien pilote deFormule 1 et vainqueur duGrand Prix automobile de Monaco 1996 sur Ligier-Mugen-Honda[49]. À l’invitation deMichelin, elle fait une seconde démonstration, en ouverture du premier Paris ePrix deFormule E, le. Le en fin de journée, lors des24 Heures du Mans 2016 et toujours conduite par Olivier Panis, elle devient la première voiture mue par un groupe motopropulseur électrique-hydrogène à effectuer un tour du circuit automobile sarthois. Deux jours plus tard, le, la H2 et son pilote rééditent leur démonstration juste avant que soit donné le départ de la course. La puissance de laGreenGT H2, équipée des deux moteurs électriques, est de 2 × 200 kW à1 350tr/min, soit544ch.
LaH2 Speed est née à la demande du carrossier italienPininfarina, la H2 Speed est présentée au86esalon international de l'automobile de Genève le[50],[51],[52],[53]. Elle est conjointement dévoilée par Jean-François Weber (cofondateur, actionnaire et directeur de la recherche et du développement de GreenGT), Fabio Filippini (directeur du style de Pininfarina), Silvio Angori (président-directeur général de Pininfarina) et Paolo Pininfarina (président du groupe Pininfarina). À cette occasion, le magazine américainAutoweek, dans son édition du, lui décerne leBest Concept Award, prix récompensant chaque année le plus beauconcept car du salon en la désignant alors comme« la voiture zéro émission la plus rapide de tous les temps »[54],[55]. Ses rivales étaient la Sbarro Prom, l’Italdesign GTZERO et la Morgan EV3. Le, laH2 Speed est présentée, sur sa demande, àAlbert II, prince de Monaco, attentif aux technologies à développement durable[56]. À l’issue de cette présentation, une combinaison de pilote aux couleurs de GreenGT est remise au souverain monégasque. Elle est brodée de son nom en guise d’invitation à venir essayer laH2 Speed. Les 21 et, elle participe auconcours d'élégance de la Villa d'Este deCernobbio enItalie[57] puis, du 8 au, ausalon de l'automobile de Turin[58]. LaH2 Speed est ensuite présentée à deux reprises par Michelin, partenaire pneumatiques de GreenGT, à l’occasion d’événements automobiles internationaux[59], la première fois en France lors des24 Heures du Mans 2016, du 15 au, et la deuxième en Grande-Bretagne, aufestival de vitesse de Goodwood, une semaine plus tard[60].
En collaboration avec General Motors, il a construit le prototype de voitureMr Wagon FCW. La pile à hydrogène est alimentée par du dihydrogène contenu dans des réservoirs à700 bar.
Un prototype de voitureHy-light fonctionnant avec une pile à hydrogène a été présenté en. La pile est alimentée par dudihydrogène provenant de trois bouteilles haute pression bobinées composite.
La F-City H2 est la première voiture française à recevoir des autorités françaises une homologation route. Ce véhicule est le fruit de la collaboration entre Michelin et FAM Automobiles (devenu depuis France Craft Automobiles). Pour celui-ci, Michelin a conçu un pack pile à hydrogène compact mais complet, comprenant même le réservoir d’hydrogène à350 bar qui remplace le bac à batteries de la version électrique de la F-City.
Le constructeur a construit un démonstrateur TAXI PAC, pile à combustible alimentée par un rack (interchangeable) de bouteilles d'hydrogène sous pression, un démonstrateur H2O, véhicule de pompier avecrange-extender à pile à combustible avec générationin situ de l'hydrogène à partir detétrahydruroborate de sodium, un démonstrateur QUARK, quad à pile à combustible comportant un moteur électrique dans chacune des quatre roues, un démonstrateur 207 CC Epure comportant la pile à combustible issue du programme GENEPAC. PSA a collaboré au projet GENEPAC (2002-2006) avec leCEA pour une pile hydrogène de type PEMFC de 80 kW,
LaHonda FCX Clarity est la première voiture de série, commercialisée (en location) au Japon et aux États-Unis (État de Californie). C'est un véhicule cinq-places, équipé d'un réservoir d'une pression de350 bar.
Le iX35 FCEV est une nouvelle génération du Tucson FCEV[65] qui pourrait commencer à être commercialisée sur quelques territoires spécifiques dotés d'une infrastructure de remplissage hydrogène adéquate. Hyundai annonce une autonomie de 564 km et le prix d'un plein serait aux alentours des 56 euros[66]. Un partenariat technologique a été annoncé en avecAudi (filiale deVolkswagen, sachant que l'Allemagne a lancé un programme visant 400 stations service de distribution d'hydrogène avant 2023. En France en 2018 une flotte de taxis Hype fonctionne à l'hydrogène (dont 60 modèles Hyundai)[67].
Bateaux :on[style à revoir] projette de les utiliser pour des véhicules marins, dont des bateaux de pêche (avec en France le pôle PRINA ; Pôle de recherche et d’innovation de Nantes-Atlantique etAtlanpole, porteur de la Mission Hydrogène[74] et le projet SHYPER (« Système hydrogène pour une pêche écologiquement responsable »[75],[76])). ÀNantes, le 30 aout 2019, laSEMITAN inaugure le Jules Verne 2, navette fluviale de transport de passagers, mue par une pile à combustible[77].Fincantieri, un des leaders mondiaux de la construction navale, va construire des navires propulsés à l'hydrogène, en utilisant le système de stockage de l'hydrogène sous forme d’hydrures métalliques mis au point parMcPhy Energy[78].
Système Nomades : Paxitech conçoit des piles à faible puissance pour des applications nomades, telles que les chargeurs USB, les lampes (casques de spéléologie).
Production électrique stationnaire :
produits de la société américaineFuel 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[79].
Aéronautique :
Antares DLR-H2,
le, cent ans après l'exploit de Blériot, un ULM à hydrogène traverse la Manche[80] ; cet engin et son concepteur, Gérard Thévenot, ont reçu lee-flight award[81].
↑Équipe dirigée par Peter Strasser, de l'université technique de Berlin et du pôle d'excellence UniCat (Unifying Concepts in Catalysis),cluster allemand visant à améliorer la catalyse, associant 250 chimistes, physiciens, biologistes de quatre universités et deux Instituts (l'Institut Max-Planck de Berlin et celui du Brandebourg), avec un budget de sept millions d'euros en 2010.
↑Exemple :Nafion de Dupont de Nemours, pour la PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, « pile à combustible à membrane échangeuse de protons »), piles utilisées dans l'espace.
Benjamin Blunier et Abdellatif Miraoui,20 Questions sur la pile à combustible, Éditions Technip, 2009(ISBN978-2710809241), 130 p.
Benjamin Blunier et Abdellatif Miraoui,Piles à combustible, Principes, modélisation, applications avec exercices et problèmes corrigés, Ellipses, Technosup, 2007(ISBN978-2-7298-3107-3), 192 p.
Méziane Boudellal,La pile à combustible, Dunod, Technique et ingénierie, 2007(ISBN978-2-1005-0112-0), 304 p.
