2. La pile à combustible : peut-on surmonter les obstacles ?
Découverte il y a plus de 150 ans, la pile à combustible n'est pour l'instant pas parvenue à s'imposer. Le précédent rapport de l'Office avait conclu qu'il s'agissait d'une technologie d'avenir, mais qu'une diffusion à grande échelle nécessitait que plusieurs obstacles techniques soient levés.
a) Histoire et principe technologique
Le principe de base de la pile à combustible a été découvert en 1839 par le physicien anglais William Grove. Un premier générateur de 1 kW a été réalisé en 1953 à partir des travaux de Francis T. Bacon. Elle a été utilisée par la NASA dans les années 1960 pour les programmes Gemini (1963) et Apollo (1968), programmes dans lesquels le prix était une question secondaire. En 1970, Du Pont met au point le Nafion , membrane polymère destinée à l'origine à la pétrochimie. Cette découverte va permettre de relancer les travaux sur les piles à membrane. En 1973, General Motors et Ford présentent des prototypes de véhicules fonctionnant grâce à une pile à combustible.
Cependant, à la fin des années 1970, les recherches sont presque complètement arrêtées. Elles ne seront relancées qu'après l'échec de la voiture électrique au début des années 1990 49 ( * ) .
Comme toutes les piles, la pile à combustible est l'empilement de cellules produisant de l'électricité. C'est un générateur d'électricité qui transforme l'énergie chimique d'un combustible en énergie électrique. Dans une pile conventionnelle, l'oxydant et le réducteur sont progressivement consommés, tandis qu'une pile à combustible fonctionne tant qu'elle est alimentée en comburant et combustible.
L'originalité de ces cellules est de combiner de l'hydrogène (réducteur) et de l'oxygène (oxydant) en eau tout en produisant de l'électricité, selon un principe électrochimique inverse de l'électrolyse de l'eau. L'électrolyse consiste à faire circuler un courant électrique entre deux électrodes plongées dans l'eau. A l'électrode positive (anode) apparaît de l'oxygène (O 2 ), et à l'électrode négative (cathode) de l'hydrogène (H 2 ). Il faut donc deux molécules d'eau (H 2 O) pour obtenir deux molécules d'hydrogène et une d'oxygène.
Dans une cellule de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM-FC), c'est exactement l'inverse qui se produit. Les deux électrodes sont poreuses et recouvertes sur leur face externe d'un catalyseur à base de platine. L'hydrogène est introduit au niveau de l'anode. Il s'y décompose en protons et en électrons sous l'effet du catalyseur. Les électrons circulent dans un circuit spécifique qui permet la fourniture d'électricité. Les protons traversent la membrane. Au niveau de la cathode, ils se combinent avec l'oxygène et les électrons pour former de l'eau.
La membrane est un film de polymère qui joue à la fois le rôle d'un séparateur entre hydrogène et oxygène et de l'électrolyte permettant le passage des protons. Il faut noter que la réaction est exothermique et que les PAC sont aussi des générateurs de chaleur, élément particulièrement utile pour un usage stationnaire dans les habitations.
Présentation simplifiée du fonctionnement d'une cellule de pile à combustible 50 ( * ) .
Le rendement d'une PEM est très élevé puisqu'on estime qu'elle convertit 55 % de l'énergie du combustible en travail contre 30 % environ pour les moteurs à combustion interne. A l'avenir, elle devrait également être sans danger, silencieuse et plus facile à entretenir et utiliser.
Les piles à combustible sont donc alimentées en continu et peuvent être très facilement rechargées en combustible. De plus, elles n'ont aucun composant mécanique en mouvement.
* 49 Pour un historique plus complet cf. rapport galley-Gatignol, ibid.
* 50 Source : RDT info n°42, août 2004, p.4.