Avantages des piles
Les piles à combustibles sont souvent présentées comme la solution du futur dans les domaines de production d'énergie électrique, de l'automobile. Cet attrait est justifié par leurs nombreux avantages:
Un haut rendement énergétique 
Le rendement électrique net électrique dépend du type de pile, il varie entre 40 et 70%. Il faut cependant tenir compte du système global avec les auxiliaires (pompes, échangeur, reformeur...), du fonctionnement sous pression ou de la surstoechiométrie en carburant et en air qui font baisser cette valeur.
Une spécificité des piles est que le rendement électrique ne diminue pas et même augmente à charge partielle. Ce rendement ne diminue donc pas dans le cas de petites installations, à la différence des installations conventionelles (turbines à gaz) où les petites unités de quelques kW ont de faibles rendements. Le rendement chute à très faible charge en raison de la consommation des accessoires.
En ce qui concerne les véhicules automobiles, on ne peut considérer le seul rendement du système pile: il faut comparer les véhicules avec des bilans du "puits à la roue" en comptabilisant la transformation du carburant (extraction, transport, procédés de raffinage, transport et distribution). Les chiffres donnés sont souvent issus de simulations faites avec des modèles de véhicules sur un parcours type (parcours européen).
- Le rendement d'un moteur thermique (du réservoir à la roue) se situe entre 21 et 24% (essence ou diesel), ces rendements étant susceptibles d'être améliorés (23 à 27%)
- Le rendement d'une PEMFC varie de 33% (reformage de l'essence), à 38 % (reformage du méthanol) et jusque 50% (hydrogène gazeux). En considérant en plus le moteur électrique, on obtient un rendement du réservoir à la roue variant de 22 à 33% selon le carburant.
Pour les applications stationnaires, on doit considérer le rendement énergétique global, qui est bien plus élevé: l'énergie qui ne passe pas sous forme électrique peut être récupérée sous forme de chaleur. La valorisation de cette chaleur dépend alors du niveau de température de la pile, mais on peut atteindre des rendements globaux de 85 à 90%. Pour une PAFC, la littérature donne les valeurs de 40 % pour le rendement électrique et entre 35 et 40% pour le rendement thermique selon le niveau de température.
Silencieuses
Lors de leur fonctionnement, les piles sont silencieuses: dans les systèmes PAC, seuls certains organes comme les compresseurs, les pompes, le système de ventilation produisent un léger bruit. Les émissions sonores de la pile ONSI PC25 sont de 58dB à 10m. Ceux qui ont déjà vu un véhicule électrique savent qu'il est très silencieux, au point qu'on ne l'entend pas arriver. Il en est de même pour tous les véhicules à pile et pour les piles stationnaires: un avantage pour leur insertion en milieu urbain.
Emissions limitées
On cite les piles à combustible comme atout dans la lutte contre la pollution, en particulier la limitation des gaz à effet de serre définie par la Conférence de Kyoto. Les émissions produites par un système pile dépendent étroitement du carburant utilisé et de son origine.
Les émissions à considérer sont:
- les gaz à effet de serre, en particulier le CO2, le CH4,
- le CO,
- les NOx (oxydes d'azote),
- les particules carbonées,
- le SO2,
- les poussières.
En matière de propulsion automobile, une classification a été faite selon leurs émissions: ZEV: Zero Emissions Vehicles, SULEV: Super Ultra Low Emission Vehicles, ULEV: Ultra Low Emission Vehicles. Les véhicules utilisant de l'hydrogène sont classés ZEV. Ceux qui ont un reformeur seront des ULEV ou SULEV. Si on ne considère que le véhicule, il ne produit rien s'il fonctionne à l'hydrogène, un peu de CO2, CH4, CO s'il fonctionne au méthanol ou à l'éthanol, et un peu de CO2, CH4, CO, SO2 pour de l'essence.
Mais si on considère toute la chaîne du "puits à la roue", les gains apparaissent surtout au niveau du CO, NOx, particules et poussières (FVV, 97). Ces calculs dépendent des hypothèses faites sur la provenance des carburants et la méthode d'obtention de l'hydrogène.
On peut avoir un très large spectre de résultats selon la façon de produire H2. On obtient les plus faibles émissions quand on a un véhicule PAC fonctionnant à l'hydrogène, celui ci étant produit par une électrolyse avec de l'électricité renouvable.. Ces émissions peuvent être en revanche plus élevées si l'électricité correspond à un mix européen (thermique, nucléaire, renouvelable)..
Modularité
Les piles sont constituées de cellules élémentaires mises en parallèle ou en série pour obtenir la puissance voulue. Il est donc possible en adaptant le nombre de cellules ainsi que la surface de chacune d'obtenir toutes les puissances possibles entre 1 kW et plusieurs MW. Pour les piles de très petite puissance, on a recours à des techniques de miniaturisation.
Diverses températures de fonctionnement
Pour les piles de faible température de fonctionnement, c'est un avantage sur deux points:
- le rendement électrique est meilleur à basse température,
- cette température est plus adaptée aux applications mobiles ou portables qui n'ont pas besoin de la chaleur produite par la pile.
En revanche, pour les piles de température de fonctionnement plus élevée, on peut utiliser la chaleur pour des applications domestiques ou industrielles voire un couplage avec une turbine.
Pas de parties rotatives
Il n'y a aucune partie rotative dans une pile à combustible, aucun mouvement: il n'y a donc pas d'usure mécanique pour le coeur de la pile. Sa tenue chimique et sa longuévité restent encore à prouver car les prototypes actuels ont une durée de vie encore limitée.
Les problèmes à résoudre
Si les piles sont si intéressantes, pourquoi ne les trouve-t-on pas sur le marché? En fait, il reste de nombreux points faibles qui sont à régler.
Le coût
C'est LE plus gros problème actuellement: dans les applications automobiles, le prix des piles est 100 fois supérieur à celui assurant la compétitivité et de 20 à 50% trop élévé pour les applications stationnaires.
Ce coût se répartit entre les composants suivants (sachant que cela dépend fortement du type de pile et de sa puissance et que cela variera dans le futur avec les progrès technologiques):
- la pile,
- le reformeur
- le convertisseur AC/DC.
Pour la pile (PEMFC), le coût va se répartir entre la membrane, les électrodes, le catalyseur, les plaques biplaires.
- le platine qui recouvre les électrodes et dont le prix est voisin de 17 Euros/g (un prix appelé à évoluer à la hausse en fonction de la demande...), sachant que pour une pile de 70 kW, il fallait un peu plus de 400g,
- les membranes qui coûtent autour de 400 Euros/m2
- les plaques d'interconnexion et de refroidissement qui sont en graphite usiné et dont la fabrication est coûteuse,
- à cela s'ajoutent des auxiliaires et l'assemblage des éléments.
De nombreux progrès ont déjà été faits en terme de teneur en platine, mais pour les membranes et les plaques, il faudrait revoir le processus de production et l'impact d'une production en série sur les coûts.
Poids et volume
Si ces deux aspects ne sont pas une contrainte pour les applications stationnaires, elles le sont pour les applications portables et surtout automobiles. D'une part, il faut que la pile et le module de stockage de carburant soit intégrables au véhicule sans que cela n'affecte l'habitabilité (comme c'était le cas de la NECAR 1). C'est encore plus délicat avec un reformeur qui est une usine à gaz à intégrer en plus de la pile et où les transferts thermiques devront être gérés. D'autres part, le système pile ne doit pas étre trop lourd pour ne pas affecter les performances du véhicule.
Durée de vie
La plupart des piles sont encore des prototypes, on a donc peu de renseignements sur la durée de vie des piles. Les contraintes diffèrent selon que l'application:
- automobile: quelques milliers d'heures,
- stationnaire: au moins 40 000 heures.
Dans cette optique, il faut prendre en compte les frais de maintenace (inconnus pour le moment) et la possibilité de changer une ou plusieurs plusieurs pièces dans le système. Seules les prototypes qui seront testés dans les années à venir permettront d'apporter une réponse. Pour le moment, les seules données sur les piles stationnairs dont on dispose viennent des PAFC ONSI 25.
Gestion thermique du module
Le module pile à combustible doit encore être intégré au reste du système. Dans le cas des applications automobiles, il faut évacuer la chaleur générée par la pile (pour éventullement l'utiliser pour le reformage). Cela impose donc un système de refroidissement efficace. Pour les applications stationnaires, il s'agit de valoriser au maximum la chaleur - cela dépend du type de pile utilisée, du type d'application - sans pour autant devoir mettre 40 échangeurs de chaleur!
Quel carburant?
Pour le moment, rien n'est joué sur le carburant des piles. Même si à terme, c'est l'hydrogène qui s'imposera, la question est de savoir quand et sous quelle forme; et quel carburant servira d'intermédiaire dans les applications automobiles. On a souvent avancé le méthanol mais cela impose de mettre en place tout le système de production, transport et distribution pour un carburant qui ne durera peut être que 10 ans. En utilisant l'essence, on n'a pas ce problème mais il faut utiliser de l'essence à faible teneur en soufre et avoir un reformeur adéquat. Il est aussi question d'utiliser l'éthanol qui n'est pas toxique et biodégradable. Dans tous les cas, un autre carburant que l'hydrogène impose l'utilisation d'un reformeur: une contrainte du point de vue place, poids et temps de démarrage.
Dans les applications stationnaires, l'utilisation du gaz naturel semble être un consensus, car c'est le plus simple à mettre en place et l'un des seuls pour lequel on a déjà l'infrastructure. Mais il faudra faire attention aux différentes qualités de celui ci. Certains gaz contiennent des impuretés comme du soufre.
Le fait d'utiliser de l'hydrogène suppose que l'on ait réglé le problème du stockage à bord: gazeux sous pression, liquide à très basse température, stocké dans des hydrures métalliques, des nanotubes. L'autre problème vient des idées préconçues face à l'hydrogène: risque d'explosion, inflammabilité, tous se souviennent du dirigeable Hindenburg. En fait, l'hydrogène n'est pas plus dangereux qu'un autre carburant, du moment que les précautions sont prises.