La pile à hydrogène

 

La pile à combustible est donc d’une grande actualité. Elle existe pourtant depuis de longues années. Il y a près de 200 ans qu’elle fut découverte et près de 160 ans qu’elle fut expérimentée. En effet, dès 1802 Sir Henry Davy énonça pour la première fois le principe de la pile à combustible tandis que 37 ans plus tard, un autre anglais, Sir William Grove concrétisa cette première approche en plongeant deux lames de platine dans un électrolyte acide, puis en exposant la première à de l’hydrogène, et la seconde à de l’oxygène. La première pile à combustible était née...

Dans le cas de la pile à combustible, on amène les réactifs au fur et à mesure des besoins (contrairement au fonctionnement d’une pile de lampe de poche par exemple). C’est comme un moteur thermique. Mais ici, le dispositif est fixe. L’essence est remplacée par de l’hydrogène. Et le « moteur » ne fournit pas de l’énergie mécanique, mais de l’énergie électrique plus de la chaleur.

Les avantages sont nombreux : moteur immobile et silencieux, pile peu encombrante et légère, possibilité de relier plusieurs unités de combustion pour augmenter la puissance, rendement élevé (entre 40 et 60 % voire 90% si la chaleur dégagée par la réaction est réutilisée contre environ 20% pour un moteur à explosion classique), et surtout, les émissions de gaz polluants sont 50 fois moins importantes que les valeurs limites actuellement prescrites.

En fait, la pile à combustible peut être considérée comme « un chef d'œuvre énergétique ».

Comme toutes les batteries et autres accumulateurs, la pile à combustible fonctionne avec trois éléments : une anode (électrode négative), une cathode (électrode positive) et un électrolyte (matériau qui bloque le passage des électrons, mais qui laisse circuler les ions).

La membrane à échange de protons (PEM, Proton Exchange Membrane), développée aujourd’hui par les constructeurs automobile, exploite un procédé purement électrochimique ; de ce fait, elle n’obéit pas aux principes thermodynamiques d’un moteur à explosion. Son élément central est une membrane plastique épaisse extrêmement fine (40 à 50 microns) conductrice de protons, recouverte d’un catalyseur (élément chimique qui accélère la réaction) en platine et d’une électrode de papier de graphite poreux perméable aux gaz. De fins canaux sont ménagés dans les plaques bipolaires placées de chaque côté de la membrane, chaque côté contenant un gaz différent, l’un de l’hydrogène et l’autre de l’air. Le catalyseur ionise l’hydrogène et le décompose en ions positifs d’hydrogène (protons) et en électrons négatifs ; les protons pénètrent la membrane perméable et l’anode se charge négativement. Du côté de la cathode, les molécules d’oxygène excitées par le catalyseur absorbent des électrons pour se transformer en ions d’oxygène, et la cathode se charge positivement. Entre l’anode et la cathode se crée alors une tension électrique exploitable. Outre le courant continu, la réaction ne produit que de la chaleur et de l’eau. La température de fonctionnement est d’environ 80°C.

L’hydrogène liquide, riche en énergie, doit être stocké à –253 °C, température proche du zéro absolu (–273 °C) ou sous très haute pression ce qui impose des équipements spéciaux très lourds.

C’est pourquoi, plusieurs groupes automobiles se sont efforcés dernièrement de produire directement l’hydrogène à bord du véhicule à partir d’essence ou de méthanol au moyen d’un reformeur.

Toutefois, le méthanol, liquide à température ambiante, contient beaucoup d’hydrogène, mais ne le libère qu’après une réaction chimique qui consomme de l’énergie et qui produit du CO et CO2. Le rendement de la pile baisse également d’environ 10%.

De plus, la plupart des piles à combustible requièrent des catalyseurs encore coûteux qui contiennent du platine ou d’autres métaux précieux même si au début, on avait 20 à 30 milligrammes de platine par cm2 d’électrode et que l’on tombe aujourd’hui au-dessous du milligramme par cm2, avec une efficacité comparable.

Enfin, l’un des grands points d’interrogation est la durée de vie d’une telle pile. Aujourd’hui, on ne dépasse pas quelques milliers d’heures...

Sur le plan de la réduction de la consommation et de la lutte contre la pollution, à long terme la pile combustible constitue une solution prometteuse dans la mesure où elle permet de maintenir les performances et l’autonomie des voitures contemporaines.

On assiste donc ces dernières années à une course entre les constructeurs, chacun voulant être le premier à présenter une voiture à pile à combustible susceptible de concurrencer le moteur à explosion. General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Honda, Nissan, Toyota ont annoncé la commercialisation d’un tel véhicule pour 2004. BMW, Opel, Volkswagen, et Volvo sont également dans la course.

Du coté des constructeurs Français, Renault et PSA qui ont acquis une certaine maitrise de la pile à combustible et du stockage de l’hydrogène à bord d’un véhicule (programmes Fever pour Renault et Hydro-gen pour PSA) se sont associés en 1999 dans le cadre d’un « réseau pile à combustible » créé par le Ministère de l’Education Nationale, de la Recherche et de la Technologie en vue d’une commercialisation en série avant 2010 avec une étape intermédiaire sous la forme de petite série dès 2005.