Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...).
1839 Découverte de l' effet pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...) par le suisse Christian Schönbein
1839-1842 Réalisation du premier modèle de laboratoire de pile à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) par William R. Grove
1932 Reprise des études au sujet de la pile à combustible par Francis T. Bacon, qui réalise un premier prototype de 1kW en 1953, puis 5kW en 1959. Ce prototype servira de modèle pour les futures piles à combustible utilisées lors des missions spatiales Apollo.
Le très long laps de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (plus d'un siècle) qui s'est écoulé entre la réalisation du premier modèle de pile à combustible et les premières utilisations s'explique par le très fort développement qu'ont connu les autres types de générateurs d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) et par le fait que le coût des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé.
Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est accélérée par un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) qui est généralement du platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.). Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile hydrogène-oxygène ou hydrogène-air.
Le fonctionnement d'une pile hydrogène-oxygène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) et consomme uniquement des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...). Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) non négligeable de platine nécessaire.
Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en hydrogène. Sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H2O), au soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) (H2S) et au carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production d'hydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) de l'eau, par voie thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) ou électrochimique.
Ensuite, l'hydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bars), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol (Le méthanol, également connu sous le nom d’alcool méthylique, de carbinol,...) ou de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...) qui seront ensuite transformés pour libérer de l'hydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...), de compression ou liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux...), sont généralement assez faibles. L'hydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant...), c'est un simple vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'énergie difficile à produire et à stocker.
La pile à combustible fonctionne à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) de l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...) de l'eau. Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique directement. C'est un générateur.
La tension (La tension est une force d'extension.) théorique produite est de 1.23 Volt.
Il existe deux types de piles à combustible au méthanol :
Description | Électrolyte | Ions mis en œuvre | Gaz à l'anode | Gaz à la cathode | Puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) | Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de fonctionnement | Rendement électrique | Maturité | Domaine |
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AFC – Pile à combustible alcaline | Hydroxyde de potassium (L'hydroxyde de potassium, ou plus usuellement la potasse caustique ou simplement la potasse, a pour...) | OH– | dihydrogène | dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) | 10 à 100 kW | 60°C – 90°C | Stack : 60–70 % Système : 62 % | Commercialisé/ Développement | Portable, transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) |
DBFC – Pile à combustible à hydrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) direct | Membrane protonique
Membrane anionique |
H+
OH– |
NaBH4 liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) | oxygène | 250mW/cm² | 20°C – 80°C | 50% monocellule | Développement | portable <20W |
PEMFC – Pile à combustible à membrane d'échange de protons | Membrane polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) | H+ | dihydrogène | dioxygène | 0,1 à 500 kW | 60–100°C | Stack : 50–70 % Système : 30–50 % | Commercialisé/ Développement | portable, transport, stationnaire |
DMFC – Pile à combustible à méthanol direct | Membrane polymère | H+ | méthanol | dioxygène | mW à 100 kW | 90–120°C | Stack : 20–30 % | Commercialisé/ Développement | transport, stationnaire |
DEFC – Pile à combustible à éthanol direct | 90–120°C | Développement | |||||||
FAFC – Pile à combustible à acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) formique | 90–120°C | Développement | |||||||
PAFC – Pile à combustible à acide phosphorique (L'acide phosphorique est un oxacide à base de phosphore de formule H3PO4. C'est un triacide....) | Acide phosphorique | H+ | dihydrogène | dioxygène | jusqu'à 10 MW | environ 200°C | Stack : 55 % Système : 40 % | Développement | transport, stationnaire |
MCFC – Pile à combustible à carbonate fondu | Carbonate de métaux alcalins | CO32– | dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse | dioxygène | jusqu'à 100 MW | environ 650°C | Stack : 55 % Système : 47 % | Développement/ Mise sur le marché | stationnaire |
PCFC – Pile à combustible à céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...) protonante | 700°C | Développement | |||||||
SOFC – Pile à combustible à oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) solide | Céramique | O2– | dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse | dioxygène | jusqu'à 100 MW | 800–1050°C | Stack : 60–65 % Système : 55–60 % | Développement | stationnaire |
Grâce aux progrès incessants de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), dont les premiers développements dans le domaine spatial remontent aux années 1960, et à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines. Notamment pour alimenter des prototypes d'ordinateurs portables, de téléphones portables ou d'appareils photo ou encore de véhicules propres.
Cependant, la viabilité industrielle à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) de tels systèmes se heurte au faible rendement énergétique global de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des opérations. En effet, chaque étape (synthèse de l'hydrogène, séchage du gaz, stockage, vaporisation, rendement des réactions électrochimiques de la pile, circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) des fluides, régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) thermique, maintenance, récupération du platine, etc.) écorne un rendement global encore très décevant. Il suppose donc la disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on...) d'une source d'énergie primaire économique et inépuisable à l'échelle humaine.
D'autres voies de stockage et de transport de l'hydrogène peuvent aussi être envisagées pour réduire les pertes, comme par exemple, le conditionnement solide et stable de l'hydrogène sous forme de pastilles aminées.
L'utilisation de la pile à combustible en cogénération (La cogénération (ou « co-génération ») est un principe de...), permettant de valoriser la production thermique de la pile, est considérée d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) environnemental et technique comme avantageuse mais demeure encore trop chère pour une utilisation courante.
Les USA développent de nombreux projets soutenus par le gouvernement, parfois présentés comme une des solutions majeures contre le réchauffement climatique (Le réchauffement climatique, également appelé réchauffement planétaire, ou...).
Au Canada, l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) d'Innovation en Piles à Combustible du Conseil National de Recherches du Canada (IIPC-CNRC), a été créé en septembre 2006 sur 6500 m², en Colombie britannique (UBC), dans la grappe technologique de la région de Vancouver, pilote dans ce domaine.
Il vise à développer l'industrie de l'hydrogène et des piles à combustible au Canada. C’est une plate-forme de démonstration autant que de recherche, qui abrite aussi le Programme de Vancouver sur les véhicules à piles à combustible, ainsi que le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) d’autoroute de l'hydrogène de la Colombie britannique, épaulés par des labos consacrés à l'alimentation en hydrogène et aux technologies de piles à combustible intégrées. Le site dispose de pompes géothermiques et de moyens photovoltaïques de production d'hydrogène.
En France, l’ADEME, EDF et le CEA ont installé un RESEAU "PILE A COMBUSTIBLE le 25 juin 1999 piloté par Catherine Ronge, directrice R&D d'Air liquide (Air liquide est un groupe industriel français d'envergure internationale, leader mondial des...) et Roger Ballay, directeur adjoint de la recherche à EDF, co-animé par l'ADEME et le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) avec pour mission d’accélérer les recherches sur la pile à combustible en identifiant (En informatique, on appelle identifiants (également appelé parfois en anglais login) les...) les verrous technologiques, en animer la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d’un pôle d'expertise susceptible de valoriser et diffuser les avancées de la recherche, de développer les partenariats public-privé une réflexion prospective sur le développement de ces technologies.