Ce laps de temps entre la découverte du principe et le début des applications s’explique par le fait que les matériaux composant la pile (notamment le platine du catalyseur) et les réactifs (hydrogène) restent onéreux.
Le principe de fonctionnement d’une pile à combustible du type hydrogène-oxygène ou hydrogène-air peut être classiquement résumé par la réaction chimique suivante :
La pile à combustible présente de multiples avantages. Tout d’abord, elle ne rejette que de l’eau, et émet donc localement très peu de polluants. Dans le cas d’une réaction de combustion, utilisée par les moteurs des voitures non électriques, les polluants locaux sont en effet produits de diverses manières. Cela peut se faire par combustion imparfaite, par oxydation d’impuretés présentes dans le carburant (dégagement de dioxyde de soufre SO2), ou encore par réaction à haute température d’oxygène de l’air et d’azote, conduisant par réaction photochimique à la formation d’ozone, très néfaste près du sol.
En outre, un moteur thermique ne peut dépasser un certain rendement théorique, appelé rendement de Carnot. Ainsi, même avec la meilleure technologie possible, il sera difficile à un certain point, de limiter la perte d’énergie fournie au moteur. Un moteur électrique alimenté par une pile à combustible ne connaît pas cette limitation issue de la thermodynamique, et peut avoir un rendement bien supérieur aux moteurs thermiques. Ainsi, avec 1 kWh de carburant on pourra envisager récupérer 0,2 à 0,4 kWh d’énergie mécanique à la sortie du moteur, le reste étant de la chaleur perdue pour faire avancer le véhicule. Avec 1 kWh d’électricité, on obtiendra dans le même temps de l’ordre de 0,5 à 0,6 kWh, ce qui constitue un gain conséquent.
La tendance actuelle est au développement de véhicules hybrides à pile à combustible (FCHV pour Fuel Cell Hybrid Vehicle). La marque Toyota mène des recherche internes sur ce type de véhicule depuis 1992, et a lancé en mars 2005 le premier bus FCHV, puis la première voiture FHCV en juin 2008.
Cette voiture a une autonomie de 830 km environ et une vitesse maximale de 155 km, ce qui est supérieur aux caractéristiques de toute voiture électrique non FHCV actuellement sur le marché.
Il existe cependant plusieurs raisons pour lesquelles les piles à combustibles ne se sont pas généralisées, tant dans les solutions de motorisation que dans la vie quotidienne.
La première, déjà évoquée, vient du fait que le platine utilisé dans les catalyseurs est très onéreux, et son prix tend à augmenter. On lui cherche donc des alternatives : soit trouver un autre catalyseur, soit en adjoindre un autre pour limiter la quantité de platine utilisée. Concernant la première solution, on teste actuellement en Chine une pile à combustible avec un catalyseur faite de polymère « quaternary ammonium polysulphone » ou QAPS, une cathode (côté oxygène) en argent et une anode (côté hydrogène) en nickel plaquée de chrome.
Pour ce qui est de la deuxième idée, en 2010, un groupe de chercheurs américains et allemands ont proposé d’ajouter, en plus du catalyseur en platine des piles classiques, un catalyseur supplémentaire qui pourrait diviser par deux la quantité de platine des piles à combustibles. Il s’agit de nanosphères construites avec des atomes de platine et de cuivre. Les particules de cuivre sont par la suite en partie extraites, laissant une nanocoquille de platine de quelques atomes d’épaisseur. Selon cette équipe cela pourrait réduire de 80 % le prix des piles à combustible, et cette méthode pourrait même être généralisée à d’autres procédés de production d’énergie.
La seconde raison tient au fait que l’hydrogène à l’état naturel est rare sur la Terre, et qu’il est encore très coûteux de le produire. On peut produire du dihydrogène à partir de :
- Hydrocarbures et gaz naturel (le plus courant aujourd’hui)
- Charbon (dégage plus de CO2 que la simple combustion du charbon !)
- La filière nucléaire
- La biomasse et les procédés
Outre l’électrolyse et dans le cas particulier du gaz naturel, un procédé de fabrication d’hydrogène très répandu est le vaporeformage. Le gaz naturel contient en majorité du méthane, mais contient aussi du CO2 et du soufre S. Ce dernier doit être d’abord éliminé avec la désulfuration.
Le procédé de vaporeformage se sépare alors en deux réactions : la première est la réaction du méthane avec l’eau qui a lieu à des températures proches de 900°C, et qui produit du monoxyde de carbone CO et de l’hydrogène H2. La seconde est la réaction de « Water Gas Shift » en 2 étapes à 400°C et 200°C entre l’eau et le CO (pour éliminer ce dernier) qui produit du CO2 et du H2. Enfin, la réaction de « Pressure Swing Adsorption » (PSA) permet d’obtenir de l’hydrogène purifié à 99,99%.
Ce procédé est prometteur : d’après le site de l’Agence Américaine pour l’Efficacité Energétique et les Energies Renouvelables (Energy Efficiency and Renewable Energy ou EERE), le coût de ce procédé pourrait à terme baisser de 25 à 30%.
Parmi les nombreux autres procédés de synthèse de H2 innovants en cours de développement, citons la production « biologique » : en effet, certains organismes peuvent produire, au cours d’activités métaboliques, de l’hydrogène à partie d’énergie solaire. En utilisant des enzymes pour la catalyse, le rendement de production d’hydrogène peut atteindre 24%. De nombreux espoirs résident dans le procédé photobiologique qui reste limité par la sensibilité des enzymes vis-à-vis de l’oxygène.
Enfin, à très haute température, il est possible de casser la molécule d’eau en hydrogène et en oxygène selon la réaction suivante :
Ceci peut se faire par la filière nucléaire et les VHTR (Very High Temperature Reactors) :
Enfin, l’hydrogène est un gaz facilement inflammable, source d’explosions violentes. La dernière limite principale à la généralisation de la pile à combustible réside donc dans le stockage de l’hydrogène. Les techniques de stockage et leurs caractéristiques sont résumées dans le tableau ci-dessous :
La pile à combustible est donc un procédé très prometteur mais qui rencontre encore un certain nombre de barrières technologiques. Cependant, on peut raisonnablement espérer qu’elles seront au moins partiellement surmontées à moyen terme, étant donné l’implication croissante et conjointe du monde de la recherche et de l’industrie automobile dans ce domaine.
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