Sir William Grove est souvent considéré comme l'inventeur de la pile à combustible en 1839. Cependant d'autres chercheurs travaillaient déjà autour de ce sujet avant lui: en 1806, Sir Humphry Davy réalisait l'électrolyse de l'eau (distillée) obtenant hydrogène et oxygène. Mais ce fut Christian Friedrich Schoenbein qui, en 1838, le premier observa le principe des piles. Dans son expérience, il utilisait un tube en U avec deux électrodes en platine. Grâce à un courant électrique, il parvint à obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène: c'est ce que l'on appelle l'électrolyse. Mais en coupant ce courant, il constata que ces gaz donnaient lieu à un courant électrique de sens inverse au premier.
Sir William Grove
William Robert Grove n'aurait sans doute pas découvert les piles à combustible s'il n'avait pas rencontré Schoenbein lors d'un meeting à Birmingham en 1839. A cette époque, il travaillait plutôt sur les batteries électriques et exerçait la profession de juge. Les deux hommes sympathisèrent, dans leurs correspondances ils se mirent au courant de leurs recherches. En 1839, Grove réalisa sa célèbre expérience avec une pile à combustible: il s'agissait d'une cellule hydrogène-oxygène avec des électrodes de platine poreux et de l'acide sulfurique comme électrolyte. Ce fut donc Grove, et non Schoenbein, qui revendiqua la découverte en 1845. Il est aussi le concepteur d'une batterie de 50 cellules pouvant produire de l'oxygène et de l'hydrogéne à partir de courant et d'eau.
La pile à combustible de W. Grove
Cependant, cette technique resta ensuite plus ou moins dans l'oubli tandis que se développaient les machines thermiques, les accumulateurs et les piles électriques. Pourtant des chercheurs continuèrent de s'intéresser à cette technologie:
- en 1889, L. Mond et C. Langer introduisent les catalyseurs (platine) et perfectionnent l'électrolyte,
- en 1921, E. Baur découvrant l'importance de la cinétique et construit une cellule fonctionnant à haute température (1000°C),
- au début du siècle, l'électrolyte est amélioré: introduction de nouveaux matériaux: carbonates fondus, oxydes solides, acide phosphorique qui seront la base des différents types de piles d'aujourd'hui.
Mais c'est vraiment Francis T. Bacon qui réalisa des progrès essentiels: en 1953, il construit une pile hydrogène-oxygène ayant un électrolyte alcalin et des électrodes poreuses de nickel et d'oxydes de nickel. Elle fonctionnait entre 80 et 200°C pour une pression de quelques à 40 atmosphères. Ce prototype mènera aux piles utilisées dans les programmes spatiaux par la suite.
Le développement des piles depuis les années 60 
Les premiers pas des années 1960
Les programmes spatiaux
Le prototype de 1953 démontra l'intérêt des piles à combustible pour les domaines spatiaux et océanographiques: d'une puissance de quelques kW, il présentait une densité de courant de 1A/cm2 pour une tension de 0,8V. Ce fut d'abord la NASA qui les utilisa pour ses engins spatiaux dans les années 60: les piles servaient de générateur pour les véhicules spatiaux habités Gemini en 1963 (piles de type PEMFC de General Electrics) et Apollo en 1968 (piles AFC de Pratt et Whitney). Ayant prouvé leur efficacité, les piles sont toujours employées dans les navettes américaines.
Projet Gemini
Les sous marins
Une pile de 20 kW fut utilisée par l'U.S. Navy dans un sous marin, elle était capable de fonctionner à une profondeur de 6000 m.
Les développements dans l'industrie automobile
Les premiers prototypes de véhicules avec pile embarquée apparaissent aux Etats Unis avec une pile de type AFC de 15 kW pour un tracteur électrique (Allis-Chalmers Manufacturing Company), puis avec une pile de type AFC de 6 kW (avec des batteries plomb/acide) pour une Austin A40 à propulsion électrique associée. Cette voiture qui utilisait de l'hydrogène sous pression et avait une autonomie de 300 km a fonctionné pendant 3 ans en effectuant plus de 16.000 km. Par la suite, la technologie des piles va profiter des travaux sur les véhicules électriques et hybrides.
Les recherches et percées des années 70
L'un des moments clefs du développement des recherches sur les piles à combustible est le premier choc pétrolier de 1973. Pour la première fois apparait la nécessité d'être indépendant sur le plan énergétique. Ceci accélère les recherches tant aux Etats-Unis qu'en Europe et au Japon. Les recherches menées pendant cette période seront essentiellement fondamentales et viseront à développer et améliorer les différents composants de la pile: membrane, électrodes, électrolyte ainsi que tous les périphériques: compresseurs, échangeurs, systèmes de stockage, de distribution et production de l'hydrogène...
En 1970, Du Pont met au point la membrane Nafion, qui sert d'électrolyte aux piles de type PEMFC.
Tout en se révélant fiables, ces systèmes sont encore limités car ils ne fonctionnent qu'à l'hydrogène et l'oxygène. Des travaux sont menés pour étudier le possible développement de l'infrastructure de l'hydrogène, mais aussi sur l'emploi soit du méthanol, de l'essence, du gaz naturel, de l'éthanol comme combustible pour les véhicules à pile embarquée avec reformeur, soit de ces combustibles ainsi que du charbon, d'hydrocarbures légers pour la fabrication d'hydrogène par reformage pour des applications stationnaires. En 1977, une installation de 1 MW est mise en place, suivie d'une installation de 4,5 MW en 1983 à New York.
Les choix des années 80
Malgré quelques réussites, les piles restent à cette époque coûteuses, de faible durée de vie, avec un volume et un poids trop importants pour être insérées dans un véhicule. Pour ces raisons, les travaux se ralentissent en France: seule une veille technologique ainsi que des travaux universitaires sont maintenus. En revanche, les Etats Unis, le Japon et l'Allemagne ont poursuivi leurs recherches. On assiste alors à une différenciation entre l'Amérique du Nord et le Japon où règne une intense activité de recherche et de développement poussée par leurs gouvernements respectifs alors qu'en Europe (sauf en Allemagne), cette activité est restée assez faible pendant les années 80 et le début des années 90. Les PEMFC ont connu un développement accentué après 1987 avec la création de la firme canadienne Ballard.
Les avancées dans le domaine des piles
C'est réellement au début des années 1990 que les piles connaissent un regain d'intérêt. Cela est dû à plusieurs facteurs déterminants:
- L'aggravation des problèmes environnementaux liés à l'effet de serre relancent la recherche dans les piles à combustible,
- Les progrès technologiques (membranes plus performantes pour les PEMFC, catalysateurs, reformage),
- Les premiers prototypes (véhicules, installations stationnaires) sont développés.
Les piles présentent un avantage en termes de pollution: si on utilise de l'hydrogène pur, les rejets sont pratiquement nuls et en principe plus faibles que dans les technologies concurrentes si l'hydrogène est produit par reformage. De plus, les nuisances sonores sont très faibles, ce qui facilite l'insertion urbaine. Enfin, les piles offrent l'avantage d'un rendement élevé, qui augmente encore à charge partielle.
Actuellement, l'intérêt porté par les industriels et les gouvernements varie selon le type de piles et les avancées technologiques faites sur leurs composants. Cet intérêt dépend aussi fortement des applications spécifiques à chaque type de pile. Les PEMFC qui peuvent être utilisées dans des applications stationnaires, portables et mobiles bénéficient ainsi d'une certaine synergie.
En Amérique du Nord
Le secteur des piles bénéficie de l'action des pouvoirs publics avec le lancement et le financement (à hauteur de millions de dollars) de programmes de recherche et de démonstration, la création de centres de recherche avec une aide aux petites entreprises, la participation des Universités mais aussi du dynamisme d'entreprises pionnières (Ballard, Hydrogenics Corp. Ltd, H Power, Du Pont, General Motors, Nuvera, Ford, PlugPower...). Dans le secteur de l'automobile, toutes les entreprises américaines participent. Des associations d'entreprises regroupées autour du thème des piles à combustible sont créées (U.S. Fuel Cell Council, California Fuel Cell Partnership). Les piles bénéficient aussi de subventions de programmes pour les développement d'énergies propres: le programme PNGV (Partnership for a new Generation Vehicule) regroupant entre autres DaimlerChrysler et Ford vise à mettre au point des véhicules à faible consommation, entre autres un véhicule à pile alimenté à l'hydrogène. Du côté des applications stationnaires, des installations de forte puissance (plusieurs MW) sont mises en place pour la production décentralisée d'électricité mais aussi pour la cogénération.
Janvier 2003, le Président Bush a proposé d'accorder une aide de 1,2 Milliards de dollars en faveur des voitures à pile. Ceci au moment où des véhicules de Toyota sont testés dans 2 Universités Américaines et que des stations service d'hydrogène sont mises en place..
Au Japon
Soutenu par le MITI (Ministry for International Trade and Industry) et par l'AIST (Agency of Industrial Science and Technology), les programmes en faveur des piles ont commencé en 1981 avec le programme Moonlight, suivi dès 1992 du programme New Sunshine. Beaucoup d'installations stationnaires sont implantées au Japon, tant pour la cogénération que pour la production centralisée d'électricité: c'est au Japon que se trouve la plus grosse installation (11 MW). Le secteur automobile est présent à travers des firmes comme Toyota, Fuji, Mitsubishi et Mazda. Toyota a lancé fin 2002 un programme pour vendre des véhicules aux Universités, Ministères.. Par ailleurs, des bus roulant à l'hydrogène devraient rouler dans les rues de Tokyo à partir de l'été 2003.
En Europe
Au niveau Européen, le programme Eureka est lancé en 1991: il vise à construire un bus basé sur une pile AFC et fonctionnant à l'hydrogène. En 1994, les premières installations stationnaires de cogénération sont mises en place en Allemagne. Parallèlement, Daimler construit son premier véhicule avec pile embarquée: la NECAR.
L'Europe se lance alors plus concrètement dans la technologie des piles avec les programmes JOULE, THERMIE et BRITE-EURAM dans le cadre du 4ème plan cadre (1994-1998): on leur consacre en tout 54 Millions d'Euros, dont 41,3 Millions pour des projets de recherche et développement, et 10,4 Millions pour des installations prototypes. Ce sont surtout les piles PEMFC qui profitent de ces subventions (30 Millions d'Euros), suivies par les SOFC, MCFC et DMFC. Les travaux portent sur la recherche de nouveaux matériaux, sur le stockage de l'hydrogène, le réformage; l'amélioration des performances des piles (rendement, durée de vie) et impliquent aussi bien des industriels que des centres de recherche et des Universités. Le 5ème plan cadre (1998-2002) poursuit sur cette lancée: 10 nouveaux projets, entre autres, sont lancés bénéficiant de subventions de 27,8 Millions d'Euros. 2003 va voir l'apparition de bus DaimlerChrysler à hydrogène dans les rues de 7 villes européennes avec le programme CUTE.
La France participe de plus en plus activement avec la création d'un réseau pile à combustible (Réseau PACO) et l'implication d'entreprises telles qu'EDF, GDF, PSA, Renault, Air Liquide, Helion... La première pile francaise d'Helion a vu le jour en 2002, suivi par les piles d'Axane (EVOPAC...) et PSA a présenté un nouveau protoype: H2O. Plusieurs prototypes de PEMFC sont étudiés pour des applications stationnaires de petite puissance.
En 2001-2002, les piles à combustible ont profité de l'accélération des recherches et d'un certain consensus sur leur intérêt dans les applications stationnaires, mobiles et portables.
Quel avenir pour les piles...?
La technologie des piles semble prometteuse en raison d'une part de l'épuisement progressif des énergies fossiles et de l'aggravation des problèmes environnementaux mais aussi des récents progrès au niveau des technologies. Les préoccupations environnementales ne semblent pas devoir diminuer et poussent dans la recherche d'une énergie propre.
Malgré quelques échecs passés, cette technologie est maintenant soutenue à la fois par des grands groupes industriels et par les gouvernements. Cependant, tous s'accordent sur le fait qu'elle ne s'imposera que par étapes et dans un délai de 10 à 20 ans. En effet, il reste de nombreuses difficultés techniques à régler même si elles commencent à sortir des laboratoires où elles étaient encore cantonnées avec des tests avec quelques prototypes (bus, véhicules, installations stationnaires). Il reste aussi le problème du choix du combustible intermédiaire (dans le cas du reformage) et celui de la production, du stockage et de la distribution de l'hydrogène; sans oublier le développement des auxiliaires qui sont fondamentaux pour le bon fonctionnement et les performances des piles. Outre ces difficultés technologiques, le coût actuel des piles à combustible est un handicap fondamental, surtout pour le domaine automobile.
Deux types de piles à combustible semblent devoir s'imposer : les PEMFC et les SOFC.
Les PEMFC sont susceptibles d'être les premières commercialisées et ce, dans le domaine stationnaire (petite et moyenne cogénération): on parle de 2005-2010 comme d'un horizon probable pour les premières ventes à des particuliers (sous forme de programmes de tests dans les premiers temps). Parallèlement viendront les percées dans le domaine automobile (sous forme de flottes captives de véhicules) et portable (téléphone et ordinateur).
Les SOFC en revanche pourront être commercialisées pour des applications de production centralisée de courant (en particulier couplées avec des turbines à gaz) mais entreront directement en concurrence avec les systèmes actuels, ce qui risque de freiner leur développement; elles peuvent être aussi utilisées pour la cogénération de faible puissance ou en tant que générateurs auxiliaires ou APU (Auxiliary Power Unit) pour des véhicules où elles entrent alors en concurrence avec les PMFC.
Les PAFC sont à l'heure actuelle celles qui ont été les plus étudiées et les plus proches de la commercialisation mais leurs caractéristiques intrinsèques limitent leur utilisation et leur développement. Les AFC, les premières développées, restent employées dans le domaine spatial et seront sans doute remplacées par les PEMFC. Quant aux MCFC, leur avenir reste incertain car leur utilisation est limitée à la cogénération de moyenne puissance ainsi qu'à la production centralisée de courant (couplées avec des turbines à gaz) et elles présentent encore des problèmes liés à la corrosivité de leur électrolyte et leur volume important. Les DMFC, elles, seraient destinées aux applications portables mais restent handicapées par des problèmes de perméation du méthanol.
Si on s'intéresse aux domaines d'application des piles, depuis 2004-2005, des véhicules ont été mis en service sur les routes des Etats Unis, du Japon et d'EUrope, mais on ne peut considérer cela que une phase pré-commerciale. De façon ironique, les véhicules à pile subissent la concurrence des véhicules hybrides (Prius de Toyota), dont le succès limite le développement des véhicules à PAC.
Mais une véritable percée n'aura sans doute lieu que dans 5 ans. En effet, outre les questions de coût, de volume, de poids et de performances comparables aux moteurs actuels, une question clef est à régler, celle du choix du carburant. Cette question s'est longtemps posée entre un reformeur qui est une usine chimique en miniature et l'alimentation directe de la pile en hydrogène soit liquide, soit gazeux, soit sous l'une des formes de stockage d'hydrogène étudiées actuellement. L'hydrogène semble à présent privilégié. De plus, les progrès réalisés avec le moteur à combustion interne montrent qu'il garde encore des possibiltés de progression et d'amélioration.
Le stationnaire posera moins de problèmes au niveau du carburant (gaz naturel), du volume et du poids. Mais la concurrence des autres technologies sera pénalisante, d'autant que celles ci ont des possibilités d'amélioration devant elles.
Les micro piles, quant à elles, devraient trouver leur place sur le marché de l'alimentation des appareils électroniques portables mais elles nécessitent encore des années de recherches et de mise au point.
Plus surprenant, les piles commencent à apparaitre dans le domaine maritime, à la fois pour des bateaux de plaisance et des sous marins. Il est aussi question d'applications dans le domaine de l'aviation.
Il est à prévoir que les piles apparaitront progressivement dans des marchés niches, ce qui permettra de les faire accepter, d'améliorer leurs performances et de créer pour elle un marché suffisant dans leurs domaines d'application. Tout cela dépend fortement de la volonté politique et des décisions des gouvernements.
Les décisions du successeur du président Bush sur l'hydrogène ainsi que celles de l'Europe et du Japon pourront ou non donner un coup de pouce à la recherche et à la mise sur le marché des piles. Il reste à voir quelle sera la direction prise par leurs successeurs... et la réaction de l'industrie de l'énergie tant du point de vue upstream (production) que downstream (distribution).
La France a jusqu'ici pris un certain retard dans le domaine des piles avec relativement peu d'entreprises impliquées; aussi est il nécessaire de s'intéresser dès aujourd'hui de manière plus intensive à cette technologie, en particulier:
- le coeur de la pile (membranes, catalyseurs) et le reformeur,
- les auxiliaires,
- production, stockage, purification, distribution de l'hydrogène,
de manière à acquérir une position plus forte, même si l'avance en Amérique du Nord et au Japon est indéniable. La création d'Helion et d'Axane est un premier pas dans cette direction, de même que les nouveaux protoypes installés par EDF et GDF.
