Les applications portables

(Mise à jour en cours)

En Mars 2003, des piles à combustible pour portables ont été présentées à un salon pour l'informatique à Hannovre. Une des premières occasions pour les piles de se montrer hors des salons spécialisés. Toshiba, Masterflex et Smart Fuel Cell ont présenté leurs prototypes au public. Si 2003 sera une année de présentation des prototypes, 2004 semble celle annoncée du lancement des piles pour les applications portables, si l'on en juge par les annonces faites par les constructeurs.
Les piles à combustible peuvent être de toutes les tailles grâce à leur modularité: de moins d'1 Watt à plusieurs MW, ce qui permet la création de piles de très petite taille ne comportant que quelques cellules et ayant une petite surface. Les piles de petites taille ont en effet de réelles chances dans un marché d'appareils électroniques en constante croissance: téléphones portables, ordinateurs, camescopes, agendas électroniques. D'où l'intérêt des industriels pour les piles d'une puissance entre 0.1 et 10 Watts. Tous ces appareils portables souffrent actuellement de leur faible autonomie: il est nécessaire de les recharger régulièrement. Au contraire, avec une pile à combustible, l'autonomie ne dépend que de la taille du réservoir de carburant (hydrogène ou méthanol): il est ainsi possible de recharger une batterie assurant la fourniture d'électricité.

Quel type de piles?

Parmi les différents types de piles, deux seulement sont suceptibles d'avoir des applications portables: il s'agit des PEMFC et DMFC. Ces deux piles sont caractérisées par leur faible température de fonctionnement: entre 60 et 80°C, ce qui diminue les problèmes de gestion thermique et fonctionnent à température ambiante. Le principal défi est la miniaturisation des piles: du point de vue architecture, la micro pile devra donc soit être une version réduite des PEMFC et DMFC actuellement développées, soit être radicalement différente.

La première solution semble a priori la plus simple, mais la miniaturisation devrait avoir des limites. En effet, les PEMFC et DMFC de plus faible puissance utilisées dans d'autres applications (cogénération domestique) sont de l'ordre d'1 kW. Créer des micro piles passe par la miniaturisation de tous les composants (pile, pompe, échangeurs, convertisseur de courant) ainsi que par la gestion des flux de chaleur et d'eau qui sont traditionnellement l'une des difficultés majeures de ce type de pile. D'autant qu'entre l'´tat de veille et celui de fonctionnement actif (dans le cas du portable), il y a une notable diff&eafcute;rence de puissance, donc il faut gérer une demande brusque de puissance et donc de combustible avec tous les flux que cela entraine. A ceci s'ajoute le problème du combustible, le méthanol étant corrosif et aucune méthode de stockage satisfaisante n'ayant été trouvée pour l'hydrogène. Si un autre combustible devait être utilisé, il faudrait alors en plus un micro reformeur. C'est pourquoi certains, comme le CEA, s'orientent sur des pistes différentes: en se basant sur les techniques de la micro électronique, ils créent une pile constituée d'éléments faits avec de nouveaux matéraux (membrane en polyimides sulfonés ou électrodes en mélange polymère conducteur avec du platine) et empilés (sous forme de couches minces de quelques microns) sur un substrat de silicium.

Autre problème de taille à résoudre: le carburant. Il est hors de question d'utiliser de l'hydrogène liquide ou gazeux pour des questions de sécurité. Une solution est d'utiliser du méthanol ou bien de produire de l'hydrogène à partir de borhydrure de sodium NaBH4.
Marchés et Concurrents

Le marché des appareils électroniques portables est en continuelle expansion: il ne concerne pas seulement les ordinateurs portables, les téléphones ou les assistants de poche, mais aussi tous les jeux de poche, les systèmes d'alarme, des appareils de camping, à usage militaire, voire des appareils individuels de santé. Ce qui représente déj` un certain spectre de puissance. Un téléphone portable consomme en moyenne 1 W en conversation, et 50 mW en veille. Un ordinateur portable a besoin d'environ 10 W. Aux attentes en termes de puissance et de prix, s'ajoutent la nécessité de pouvoir recharger ces appareils de façon simple et rapide et surtout de leur assurer une autonomie plus importante que celle qu'ils ont actuellement. D'autant que la consommation de ces appareils risque d'augmenter dans les années à venir avec la multiplication des fonctionnalités: internet sur les portables... La réponse à ce besoin pourrait donc se faire rapidement avec l'apparition des micro-piles.
Alimentation d'on ordinateur portable avec une pile
Les actuels concurrents des piles dans ce domaine sont les accumulateurs et les batteries. Pour les batteries, trois technologies existent actuellement: nickel métal hydrures (NiMH), lithium ion (Li-Ion) et lithium polymère. Celles ci ont des performances maximales de 160 Wh/kg. Par rapport aux batteries, les piles ont des densités d'énergie de 3 à 5 fois plus élevées, ce qui multiplie par autant la durée d'autonomie des appareils. Autre avantage des piles: elles n'ont pas besoin d'être rechargées puisqu'elles fonctionnent en continu du moment qu'elles sont alimentées en carburant (en général sous forme de capsule). Manhattan Scientifics annonce une autonomie de 6 semaines en veille et d'1 semaine de conversation avec un téléphone portable grâce à ses micro-piles. Leur taille rend aussi possible leur utilisation sur des téléphones portables: on peut envisagerque la pile soit intégrée directement dans l'appareil.

Acteurs

Si de nombreux constructeurs s'intéressent de près à l'émergence de ce marché, ils se montrent discrets sur les performances atteintes par les systèmes. Néanmoins, des prototypes ont déjà été présentés à la presse, montrant que ces piles sont fonctionnelles et capables de faire fonctionner des appareils électroniques portables. Parmi ces constructeurs, on trouve:

Ballard,
Motorola,
Global Thermoelectric,
Manhattan Scientifics,
H Power,
DCH Technologies,
Smart Fuel Cell,
Masterflex,
Hitachi,
Toshiba,
Ball Aerospace.

Manhattan Scientifics prévoit de commercialiser un chargeur portable basé sur une DMFC permettant de charger continuellement la batterie du téléphone (Hockaday MicroFuel Cell). Cependant elle s'intéresse aussi aux systèmes pouvant fonctionner aussi bien à l'hydrogène qu'au méthanol. Elle a conçu un système appelé le Power Holster^TM fonctionnant grâce à une cartouche de borhydrure de sodium NaBH4 et servant à la recharge d'un téléphone portable. Mélangé avec de l'eau, le borhydrure de sodium permet de produire de l'hydrogène. Les ampoules permettent de disposer d'une puissance de 1 Watt, le système atteignant une densité de plus de 300 Wh/kg avec 10 cellules pour une taille très réduite (1,8 * 4,7 * 0,02 inch). Ceci ouvre la perspective de systèmes de recharge portables et de taille réduite .
Motorola travaille en collaboration avec le Alamos National Laboratory. Elle a choisi de travailler à la réduction à l'échelle d'une pile. Un des systèmes se base sur une DMFC, alimentée avec du méthanol dans une capsule et de l'air et comprenant une micro pompe (servant à l'alimentation de la pile avec un mélange de méthanol et d'eau). La miniaturisation de l'ensemble des composants semble très réussie avec la réalisation d'un module de pile sous la forme d'un carré d'environ 5 cm de côté sur environ 1 cm d'épaisseur. Cette pile peut délivrer une puissance de 100 mW voire 180 mW et atteint des densités de puissance de 15 mW/cm². Il est cependant possible d'empiler et de connecter électriquement ces modules de base pour augmenter la puissance électrique. Le système a été testé pendant plusieurs semaines sans grande dégradation des performances.
Un autre prototype utilise du méthane comme carburant. Il s'agit d'un système un peu plus volumineux (6 cm *12 cm *1 cm) qui pourrait alimenter un téléphone pendant 1 mois.

Ballard, leader mondial des PEMFC a aussi développé un système pile pour un ordinateur portable. L'entreprise Coleman Powermate a prévu de lancer prochainement un système (avec une pile de Ballard) pour recharger les ordinateurs portables: l'"AirGen". L'hydrogène proviendra d'un réservoir d'hydrure métallique suffisant pour fournir une énergie de 1kWh soit alimenter son ordinateur portable pendant 20 heures. Le prix d'un système + 3 réservoirs serait de 7495 dollars.
Ordinateur alimenté par une pile Ballard
Au Japon, Toshiba a développé la première pile directement attachée au PC portable. C'est une pile d'une puissance de 12 W (20 W maximum), fonctionnant au méthanol. Cette pile donne une autonomie de 5h avec une recharge. Toshiba vise aussi le marché des PDA et téléphones et devrait lancer ses produits fin 2004. C'est aussi une DMFC que Hitachi a choisi pour alimenter un carnet de notes électronique: le système devrait avoir une autonomie de 10h. C'est aussi la solution retenue par NEC, qui a présenté en Mars 2003 un portable alimenté par une DMFC de 19W alimentée par une cartouche de méthanol de suffisant pour une autonomie de 3 à 4 heures.
Masterflex a développé une pile PEM pour alimenter des ordinateurs portables, des petites imprimantes et de l'équipement de bureau. Ils prévoient de lancer leurs produits vers 2004. La pile est alimentée avec de l'hydrogène (stocké dans des hydrures). Elle donne une autonomie de 35 heures pour une énergie de 750Wh.

Etant donné qu'il existe un réel besoin en termes d'autonomie pour les applications portables, la pile à combustible peut devenir une solution. Sa part de marché pourrait atteindre 10 % de celui des batteries rechargeables d'ici 2010. Cependant cette technologie a encore besoin de mûrir (en particulier en ce qui concerne la miniaturisation) et le coût de ces systèmes doit être acceptable, or les coûts d'investissement demeurent très hauts. On estime que le coût à atteindre devrait être d'1 Euro/Watt.