Cette page s'adresse à ceux qui veulent savoir ce qu'est une pile sans se plonger trop dans les détails techniques. Pour les passionné(e)s, des pages plus complètes sont à leur disposition.
Histoire
Les piles à combustible ont été découvertes en
1839 par William Grove, mais elles sont restées dans l'oubli jusqu'aux programmes spatiaux des années 1960. Depuis la fin des années 80 - début des années 1990, de nombreux acteurs s'y intéressent de nouveaux: entreprises, centres de
recherche, universités et gouvernements. Des prototypes ont été réalisés: véhicules, rechargeur de batteries de portables, systèmes de génération de chaleur et d'électricité,
mais les piles sont encore une technologie en développement dont on attend une réelle percée dans 10 ou 15 ans selon le secteur.
Plus sur l'histoire de leur développement...
Principe
Le principe de fonctionnement est simple: une cellule élémentaire est constituée de deux électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte.
La pile est alimentée en hydrogène et en oxygène. A l'anode, l'hydrogène (H2) réagit en se séparant en deux protons H+ et deux électrons.
Les protons passent à travers l'électrolyte et les électrons à travers le circuit électrique. Ils se recombinent à la cathode avec l'oxygène (O2) pour donner de l'eau (H2O).
De chaque côté des électrodes se trouvent les plaques bipolaires chargées de collecter le courant.
Fonctionnement d'une pile à membrane (PEMFC)
En pratique, ces cellules élémentaires sont assemblées les unes aux autres en série ou en parallèle pour former un stack.
La puissance du stack dépend du nombre de cellules et de leur surface et on peut ainsi couvrir un large spectre de puissance de quelques kW à plusieurs MW (avec plusieurs stacks). En miniaturisant l'ensemble, on a même des piles pour fournir quelques Watts.
Cela ne suffit pas pour réaliser le système tout entier: il faut en plus des compresseurs, pompes, onduleur, échangeurs de chaleur, les systèmes de contrôle - commande, de sûreté de fonctionnement, le stockage et la préparation du carburant.
Plus sur le fonctionnement...
Types de piles
Il existe non pas un mais 6 types de pile à combustible:
- AFC (Alkaline fuel Cell),
- PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell),
- DMFC (Direct Methanol Fuel Cell),
- PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell),
- MCFC (Molten carbonate Fuel Cell),
- SOFC (Solid Oxid Fuel Cell).
La plus connue est la PEMFC utilisée dans les véhicules. Ces types de piles se différencient par leur température de fonctionnement (de 60 à 1000°C!!), leur électrolyte, la pureté de l'hydrogène à l'anode (sauf pour la DMFC où on utilise du méthanol). Et en conséquence par leurs applications.
Plus ...
Applications
Une pile à combustible, ça sert à quoi?
En fait, les piles ont de multiples applications que l'on divise dans les catégories suivantes:
- Automobile: véhicules particuliers, bus, véhicules de golf Plus ...
- Stationnaire: génération de chaleur et d'électricité (résidentiel, bâtiments publics type piscine, hôpital, école, résidences, générateur de secours) Plus ...
- Portable: téléphone, ordinateur portable, caméra, matériel de camping ou militaire Plus ....
- Spatial, Bateaux et Sous marin Plus ....
Le degré de maturité de chaque application est très différent. La question de savoir quelle part de marché représenteront les piles, quand elles apparaitront, sous quelle forme et avec quelle rapidité reste non résolue.
On trouve tous les scénarios: percée limitée, part de marché conséquente (dans 10 ans..), effet de synergie entre les diverses applications (notamment stationnaire et automobile).
Avantages et inconvénients
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 leur nombreux avantages:
- de rendements énergétiques élevés même à charge partielle: de 40 à 70% électrique, plus de 85% en tout (électricité et chaleur),
- de faibles émissions sonores,
- peu d'émissions (en particulier en termes de CO, NOx, CnHm et particules, mais elles dépendent du combustible utilisé et du type d'application),
- elles sont de construction modulaire,
- diverses températures de fonctionnement: cela permet d'utiliser la chaleur en couplant avec une turbine ou pour des applications allant de l'eau chaude à la vapeur,
- pas de parties rotatives.
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: LE problème des piles, le prix des piles est bien supérieur à celui assurant la compétitivité. Les points clefs sont le catalyseur (Platine), membranes, plaques bipolaires, périphérie... ,
- le poids et le volume: surtout si on veut l'intégrer dans un véhicule,
- la durée de vie: elles doivent durer plus de 40000h dans les applications stationnaires,
- l'intégration thermique: entre valoriser la chaleur ou l'évacuer selon la pile et l'application,
- le carburant: le problème de l'oeuf ou de la poule. Idéalement, le meilleur carburant est l'hydrogène, mais comme aucune infrastructure adéquate (production, transport, distribution et stockage) n'existe actuellement, on pense à d'autres carburants pour obtenir ensuite l'hydrogène par reformage. D'autant que pour l'hydrogène aussi se pose un problème de coût...
Plus sur les avantages et inconvénients...
Plus sur l'hydrogène...
L'avenir
Quand verra t on apparaitre les premières piles dans les maisons ou dans nos voitures? A grande échelle, ce n'est pas dans l'immédiat! Mais depuis le début de l'année 2003, on a vu apparaitre de nombreux prototypes placés dans des situations quotidiennes,
notamment dans le domaine automobile avec des bus, des voitures et des piles pour alimenter des bâtiments en chaleur et électricité.... Depuis 2004-2005, on a vu les premiers ordinateurs portables à pile mais ils ne sont pas encore dispoibles pour le grand public.
En ce qui concerne les véhicules, on ne s'attend pas à une percée avant 2010-2015.
Ceci tient aux inconvénients des piles: le coût, le poids, le volume, et le problème du carburant.
Pour ce domaine, ce sont surtout les PEMFC qui sont envisagées pour la traction,
mais les SOFC sont aussi envisagées comme APU (Auxiliairy Power Unit).
En ce qui concerne le stationnaire, seules les PEMFC, les MCFC et SOFC semblent avoir de l'avenir.
Les PAFC, les plus matures technologiquement, resteront trop chères et les MCFC ont encore des problèmes technologiques à régler (électrolyte).
Les PEMFC ont des chances en particulier pour le domestique où le marché est important ou pour certaines applications comme les hôpitaux, piscines, bâtiments administratifs qui constituent (pour les premiers) un marché plus restreint.
Mais l'effet de synergie induit par l'automobile ainsi qu'un appui des pouvoirs publics (écotaxe...) sera nécessaire à la réduction des coûts et l'amélioration des performances.
En revanche, les SOFC, surtout couplées avec une microturbine, ont une chance dans des applications comme le réseau de chaleur: elles pourraient ainsi atteindre des coûts de production intéressants.
Mais la technologie SOFC doit encore être améliorée.
Dans le domaine du portable (petites puissances), les DMFC peuvent percer, mais les PEMFC ont ausi un rôle à jouer dans ce domaine. Une des questions sera aussi celle du carburant: méthanol, hydrogène, borhydrure de sodium...
Il existe aussi des marchés de niche dans le domaine du maritime: les sous marins, l'alimentation de bateaux de plaisance voire même des cargos. Les PEMFC ont des chances de s'imposer, mais d'autres piles, notamment les MCFC sont à l'étude.
Les AFC sont réservées à des marchés de niche (aérospatiale, voiture de golf..)
Plus surprenant, les piles et l'hydrogène liquide sont envisagé dans le domaine de l'aviation (projet européen Cryoplane). Néanmoins, il reste beaucoup de recherches à faire avant une hypothétique percée dans 15 à 20 ans.
N'hésitez pas à me faire part de vos
remarques et réflexions....
