La pile à combustible dans les applications de transport

Dans le contexte économique et environnemental actuel, beaucoup de recherches portent sur le véhicule propre. L’utilisation de la pile à combustible va en ce sens du fait qu’elle rejette uniquement de l’eau et aucun gaz à effet de serre lorsqu’elle est alimentée en hydrogène pur. Ainsi l’hydrogène comme vecteur d’énergie est une des solutions possibles envisagée en remplacement des énergies fossiles. Parmi les différentes piles à combustible existantes, la pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC) a atteint un degré de maturité tel qu’elle est proche de la commercialisation. De plus, du fait de ses caractéristiques (basse température, forte densité de puissance, électrolyte solide, …), elle est particulièrement adaptée aux applications de transport. Cependant des phénomènes physiques non encore parfaitement maitrisés prennent place dans la pile (dégradations, assèchement, noyage, empoisonnement, …) et abaissent ses performances. La nécessité d’utiliser des circuits annexes (pompes, recirculateur, humidificateur, …) pour son fonctionnement, et une durée de vie qui reste à améliorer en font pour le moment un générateur dont la fiabilité reste à renforcer. Par ailleurs, un moyen de transport doit être le plus fiable possible, il faut donc pour cela un ensemble « générateur » tolérant aux pannes. Pour ce faire une association de plusieurs piles (appelée multi-stack) permet une redondance de générateur en cas d’apparition d’un défaut et doit permettre un fonctionnement dégradé de l’ensemble.

Les piles à combustible 

L’hydrogène, d’un point de vue énergétique, est une alternative viable aux énergies fossiles. Il peut être utilisé comme combustible pour produire de la chaleur ou de l’énergie mécanique et ainsi remplacer le pétrole. La pile à combustible utilise le phénomène d’oxydoréduction de l’air et de l’hydrogène afin de produire de l’électricité, de la chaleur et de l’eau. Ce qui en fait un générateur propre.

Historique des piles à combustible

La première pile à combustible fut réalisée en 1839 par Sir William Grove. Il s’agissait d’une pile hydrogène/oxygène en milieu acide sulfurique de très faible puissance. En 1895 la première pile à combustible de puissance (1,5kW) fut construite par W.W. Jacques. Elle utilisait un électrolyte d’hydroxyde de potassium (KOH) fondu et ses performances laissaient entrevoir une utilisation pour un usage domestique ou pour un véhicule. En 1930, les travaux de T. Bacon ont permis d’initier le développement industriel des PàC grâce à la construction d’une pile en milieu KOH aqueux qui conduisit à un prototype 3 ans plus tard de quelques kilowatts. Son développement s’est poursuivi, en particulier pour des applications dans le programme spatial américain avec une pile à électrolyte polymère solide pour le programme GEMINI et une pile alcaline pour les missions lunaires APOLLO. La réussite des premiers programmes a encouragé les recherches sur les piles à combustible et de nombreux prototypes ont vu le jour aux États-Unis, au Japon mais aussi en Europe. A partir de 1987, les piles à membrane échangeuse de protons ont eu un développement spectaculaire grâce aux travaux de la compagnie Canadienne BALLARD Power System, aujourd’hui leader dans ce domaine. Depuis une dizaine d’années, des unités de production électrique et de chaleur (cogénération) qui mettent en œuvre des piles à combustible sont implantées dans le monde. De plus, grand nombre de constructeurs automobiles ont désormais un ou plusieurs prototypes de véhicules alimentés par une pile à combustible.

Les différentes technologies de pile à combustible

Il existe différents types de pile, qui sont classés en fonction de leur électrolyte ou de leur température de fonctionnement. Parmi les différents électrolytes certains sont solides et d’autres liquides.  Ainsi, selon application à laquelle la pile est destinée, l’utilisateur doit faire son choix en fonction de son cahier des charges et de certains critères :

➤ La température de fonctionnement : cela dépend du temps de démarrage souhaité. Une pile basse température mettra quelques minutes à monter à température nominale tandis qu’une pile à haute température imposera d’attendre plusieurs dizaines de minutes. En contrepartie, une pile à haute température permet une cogénération (électricité-chaleur) ce qui aura pour avantage d’augmenter le rendement global de l’ensemble générateur-pile.
➤ La durée de vie : Une pile à électrolyte solide peut prétendre à une plus grande durée de vie. A l’inverse, un électrolyte liquide peut être à l’origine de corrosion pas toujours facile à contrôler.
➤ Les contraintes de volume et de masse : Dans le cas d’une application embarquée ou de transport, le poids et l’encombrement seront des critères prépondérants à l’inverse d’une application stationnaire pour laquelle il peut ne pas y avoir de contrainte de ce type.
➤ Le coût : Le coût d’une pile à combustible reste onéreux indépendamment de sa technologie. Cependant avec le développement récent des technologies de pile, il est probable qu’elles atteignent les prix les plus bas.

En guise de synthèse sur le choix des piles à combustible, les piles à haute température sont plus adaptées à des applications qui demandent de l’énergie électrique sans interruption, cela élimine le problème lié à la montée en température. Elles sont très adaptées aux applications stationnaires, d’autant plus qu’elles permettent une cogénération [Siemens 2011; UTC-Power 2011; Bloom Energy 2011]. Elles peuvent néanmoins trouver une application dans certains appareillages embarqués comme des groupes auxiliaires de puissance pour véhicule [Severin et al. 2005].

Pour des applications de transport (traction), les piles à basse température sont les plus utilisées. De plus, un électrolyte solide est préférable ce qui permet une meilleure stabilité de fonctionnement lorsqu’elle est soumise à des vibrations. C’est pourquoi la pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC) est depuis quelques années la meilleure alternative pour une application de transport. Elle a l’avantage d’être compacte (2kW/litre et 1.5kW/kg pour la pile seule), a un bon comportement aux basses températures (jusqu’à -30°C [Sekizawa et al. 2010]) et a été adoptée par de nombreux constructeurs automobiles comme convertisseurs électrochimiques pour des véhicules légers et lourds.