L’Hydrogène et sa promesse des piles à combustibles (2/6)

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1. Une pile à combustible est constituée par la juxtaposition de ces piles de base. ©PaxiTech

Ceci est notre second article consacré à l’hydrogène, après une première présentation de cette énergie du futur. Tout le monde se souvient de l’électrolyse, cette expérience de Sciences Naturelles au lycée. On prend un réservoir rempli d’eau et, en faisant passer un courant électrique à l’intérieur grâce à deux électrodes, l’eau (H2O) se sépare en deux gaz, l’hydrogène et l’oxygène, ou plus exactement en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2).

Dans une pile à combustible se produit la réaction inverse. A partir de dioxygène (O2) et de dihydrogène (H2), une pile à combustible produit un courant électrique, de la chaleur et de l’eau. Oxygène et hydrogène sont ultra-abondants sur terre. La réaction n’engendre aucune pollution.

Produisant à la fois de la chaleur et de l’électricité, la pile à combustible apparaît donc comme le générateur domestique idéal. Oui, mais voilà : tout n’est pas rose. Les composants des piles à combustibles sont encore très coûteux et, selon les technologies utilisées, leur durée de vie peut être horriblement courte.

2. Voici le schéma de fonctionnement d’une pile à combustible de type PEFM, celle que l’on retrouve dans un tout petit nombre de maisons individuelles. © Mission Hydrogène

Que se passe-t-il dans une pile à combustible ?

Les piles à combustible prévues pour le marché domestique, mais aussi pour l’équipement des voitures, sont du type PEM pour Proton Exchange Membrane. On les désigne aussi sous l’anagramme PEFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Fuel Cell signifie pile à combustible.

Dans une pile à combustible PEM, il se produit une oxydation. C’est-à-dire une réaction chimique durant laquelle apparaît un échange d’électrons entre un oxydant et un réducteur. L’oxydant capte les électrons. Tandis que le réducteur cède les électrons.

Dans une pile à combustible PEM, l’hydrogène est amené sur l’anode et est divisé par le catalyseur en ions positifs et en électrons négatifs. Le rôle du catalyseur consiste à accélérer cette réaction. Bloqués par l’électrolyte, les électrons font le tour et se déplacent jusqu’à la cathode par un conducteur électrique.

C’est ce qui produit un courant électrique, d’une intensité de 0,7 à 1 Volt selon les dimensions de la pile. En même temps, les ions d’hydrogène chargés positivement migrent à travers l’électrolyte (en réalité une membrane échangeuse d’ions) et se combinent à l’oxygène de l’air pour former de l’eau et libérer de la chaleur, à une température de 80°C environ.

Tout ceci se passe dans chaque élément de base de la pile à combustible. La machine que l’on appelle « pile à combustible » est composée de plusieurs piles de base, montées en parallèle.

3. Les plaques bipolaires développées conjointement par le français Symbio FCell et par le CEA ont permis de diviser par deux le coût de production des piles à combustible produites par Symbio FCell. ©-cea

Les composants clé : des métaux rares…

Dans les piles à combustible, deux éléments sont particulièrement critiques : le catalyseur et les plaques bipolaires. Pour l’instant, les catalyseurs sont encore en platine : un métal rare, coûteux et dont 90 % des ressources mondiales connues sont partagées entre l’Afrique du Sud (80 %) et la Russie (10 %). Nous produisons environ 230 tonnes de platine par an seulement.

A ce rythme et compte-tenu des réserves évaluées à 13 000 tonnes sur terre, nous en avons encore pour moins de 60 ans. Mais la recherche progresse et de nouveaux catalyseurs seront sans doute découverts.

Le second composant vraiment important sont les plaques bipolaires. Comme il faut juxtaposer de nombreuses piles de base pour obtenir une puissance suffisante, les plaques bipolaires séparent deux piles et ont pour fonction la distribution de l’oxygène et de l’hydrogène, l’écoulement de l’eau et la collecte du courant électrique au sein des piles.

La recherche française est particulièrement bien placée dans ce domaine. La PME de pointe Symbio FCell, installée à Fontaine dans le 38, a développé avec l’aide du CEA une nouvelle génération de plaques bipolaires.

Elles sont incorporées dans les piles à combustible PEM de 5 à 20 kW que l’entreprise fabrique avant tout pour des véhicules et des bateaux. Associées à une optimisation des électrodes (anode et cathode), ces nouvelles plaques ont permis de doubler la puissance à volume égal – 2.9 kW dans un volume d’un litre -  et de simplifier l’assemblage des piles à combustible. Le but de Symbio FCell a été atteint : le coût de fabrication de ses piles à combustible a été divisé par deux.

4. Dans la perspective d’une transition énergétique, les piles à combustible prennent place dans une chaîne de production destinée à compenser le caractère intermittent des production d’électricité renouvelables. © c-beurtey-cea

Plusieurs technologies de piles à combustible

On connaît une demi-douzaine de types différents de piles à combustible déjà développés, plus une autre demi-douzaine non-encore sortis des laboratoires. Voici un petit tableau récapitulatif des solutions déjà commercialisées.

Les piles à combustible que l’on utilise dans le bâtiment sont de type PEMFC. Les trois derniers types PAFC, MCFC, SOFC sont principalement employés aujourd’hui en production d’électricité pour le réseau ou en secours électrique en industrie.

Voilà, nous savons maintenant comment fonctionne une pile à combustible. Maintenant, qui en fabrique et en commercialise réellement ? C’est l’objet de notre troisième article.

5. Petit indice, l’un des rares producteurs de piles à combustible pour des usages domestiques est allemand et fabrique toute sortes de générateurs de chauffage. © Viessmann