Découverte en 1839 par Sir William Grove, la pile à combustible est un dispositif électrochimique qui transforme directement la chaleur de combustion d’un combustible en électricité, sans être limité par le principe de Carnot, permettant ainsi des rendements de conversion élevés. De plus, lors de la conversion, le combustible est oxydé électrochimiquement à l’anode et l’oxydant (oxygène de l’air) est réduit à la cathode, si bien que le seul produit rejeté est de l’eau, conférant ainsi aux piles à combustibles un aspect écologique attractif. Il n’en demeure pas moins qu’après plus de 150 ans de recherche, leur commercialisation à grande échelle est constamment repoussée et ce, comme nous le montrons dans le cours, pour des raisons de coûts et de verrous technologiques restant à lever.
En deçà des aspects thermodynamiques et cinétiques qui gouvernent son fonctionnement, nous passons en revue les différentes technologies de piles à combustible, au nombre de 6, qui différent soit par la nature chimique de l’électrolyte, la température de fonctionnement, soit par la puissance générée et donc par les applications visées pouvant couvrir un domaine de puissance installée allant du W (électronique), au kW (véhicule électrique) et au MW (stockage stationnaire pour applications réseaux, hôpitaux). Ce panorama rapide montre tout l’intérêt actuel pour (i) les systèmes basses températures à membranes échangeuses de protons connus sous le nom de PEMFC et (ii) les systèmes hautes températures, tombantsous la coupe des piles SOFC, Solid Oxide Fuel Cells. L’atout majeur pour cette dernière est sa capacité à co-générer de l’électricité et de la chaleur si bien que son rendement global peut atteindre 70 à 80 %, ainsi que la possibilité d’utiliser, outre le H2, divers autres combustibles tels le gaz naturel, le méthanol ou encore des biogaz. En revanche, sa faiblesse réside dans l’instabilité des matériaux utilisés, qui conduit à des vieillissements prématurés et des performances insuffisantes malgré un coût élevé. Le système basse température PEFMC, fortement convoité pour les applications de véhicules électriques, profite au contraire d’une mise en opération rapide ainsi que d’un bon comportement en puissance rapide mais souffre, entre autres, de nombreux problèmes tels que (i) la nécessité d’utiliser des catalyseurs onéreux (Pt), (ii) l’empoisonnement par CO, ce qui nécessite un combustible (H2) extrêmement pur, (iii) l’absence de co-génération ou (iv) l’assèchement des membranes. Pour minimiser les inconvénients des technologies PEMFC et SOFC, tout en en gardant leurs avantages, on soulignera les recherches actuelles sur les systèmes intermédiaires de type PCFC utilisant une membrane céramique comme les SOFC, mais protonique comme les PEMFC pouvant fonctionner à 180 °C ou encore les piles de type ITSOFC ayant des températures de fonctionnement plus basses (environ 200 °C) que les SOFC. Il n’en demeure pas moins que toutes ces nouvelles directions avec, de plus, celle de vouloir utiliser des piles à combustibles à combustion directe de méthanol, DMFC, ne cessent de poser des problèmes colossaux au niveau des matériaux (électrode, électrolytes, interconnecteurs) tant pour ce qui est de leurs performances que de leurs coûts.
Face à cette complexité, on peut conclure que la PAC est encore dans la période de R&D et que 10 à 15 ans sont encore nécessaires avant la commercialisation et la pénétration du marché ou bien que la PAC qui est depuis plus de 150 ans une technologie d’avenir le restera encore pour quelques décennies, en laissant aux auditeurs présents le soin de choisir l’une ou l’autre de ces deux formules à la lumière du cours.
