Le Moteur à hydrogène
Exposé – R. Pfeiffer & J.-A. Robert
21 janvier 2002
1) Principe de la pile à combustible
1.1 Principe général
Historique
On doit la découverte des piles à combustible à Sir William Grove en 1839. Ce savant britannique, reconnu comme “Père de la pile à combustible”, utilisa le principe des réactions rédox entre le dihydrogène et le dioxygène pour produire de l’électricité.
Il fut mené sur cette voie par ses expériences sur l’électrolyse de l’eau. Grove estima qu’il était peut-être possible d’inverser cette réaction. En effet, elle libère des électrons formant un courant électrique. Le principe de la pile à combustible était né.
Le terme “pile à combustible” a été utilisé pour la première fois en 1889 par Ludwig Mond et Charles Langer. Ils essayèrent de construire le premier dispositif utilisant de l’air et du gaz industriel.
Le premier essai réussi d’une pile à combustible résulte des inventions de l’ingénieur Francis Bacon en 1932. Il améliora les catalyseurs à platine très coûteux employés par Mond et Langer. Vers la fin des années 50, la NASA commença à expérimenter la technologie des piles à combustible pour développer une source d’électricité pour les missions spatiales. L’utilisation des piles à combustible était moins risquée que l’énergie nucléaire et moins chère que l’énergie solaire. Cette technologie est aussi utilisée par la NASA pour fournir eau et courant à sa navette et un usage pour la station spatiale internationale (ISS) est en projet.
Fonctionnement
Au cours de l’électrolyse de l’eau, Grove observa qu’un atome d’oxygène d’une molécule d’eau cédait deux électrons pour que les deux atomes d’hydrogène de la molécule d’eau en captent chacun un.
Pour que cette réaction puisse avoir lieu, il faut fournir de l’électricité. Les produits de cette réaction sont alors du dihydrogène et du dioxygène. Si on inverse cette réaction, on associe du dioxygène et du dihydrogène, les atomes du dihydrogène cèdent des électrons aux atomes du dioxygène et il y a formation d’eau et d’un courant électrique. Ce transfert d’électrons est propre aux réactions rédox, on pourra donc dresser les équations des couples suivantes:
2 H2 à 4 H+ + 4 e-
O2 + 4 e- à 2 O2-
Remarque: ces deux réactions sont réversibles.
2 H2 + O2 à 4 H+ + 2 O2- à 2 H2O
Si l’on ne laisse pas se dérouler les deux réactions de couples au même endroit, mais séparément, il doit y avoir un courant qui circule de l’une à l’autre, voici la pensée de Grove. Les protons circulent à travers l'électrolyte pour se diriger vers la cathode alors que les électrons passent à travers un circuit électrique externe avant de se combiner de nouveau aux protons et à l'oxygène pour former de l'eau.
En effet, si l’on réalise une telle synthèse de l’eau, on peut avoir un courant qui atteint jusqu’à 1,23 V. Si l’on met en parallèle plusieurs de ces piles à combustible, on peut obtenir des courants qui atteignent 12V et plus.
À l'instar de toute pile électrochimique, ou batterie, la pile à combustible est composée de deux électrodes et d'un électrolyte. Toutefois, contrairement à ce qui se passe pour les batteries, les électrodes ne sont pas « consommées » avec le temps et les produits ne sont pas stockés à l'intérieur de la pile. Le combustible et l'oxydant proviennent d'une source externe et, tant et aussi longtemps qu'ils sont fournis à la pile, l'électricité continue de circuler. La pile à combustible est en quelque sorte un hybride entre une batterie (procédé électrochimique) et une génératrice (le combustible provient de l'extérieur du système).
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1.2 Différents types de piles à combustible
Il existe six types de piles à combustible, chacune étant caractérisée par son électrolyte et ses températures de fonctionnement.
La pile à membrane électrolyte polymérique (PEMFC)
La PEMFC, pour Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, a été mise au point pour les missions spatiales des années 60. Cette technologie a connu des progrès énormes dans les années 80, permettant d'envisager le recours à la technologie des piles à combustible pour la généralisation des applications. La PEMFC fonctionne à une température de 80°C.
La PEMFC utilise comme électrolyte une membrane polymérique.
Cette membrane est un isolant électronique mais un excellent conducteur d’ions hydrogène. Les matériaux utilisés actuellement consistent en une structure de fluorure de carbone polymérisé, similaire au Teflon, à laquelle sont attachés des groupes d’acides sulfuriques. Les molécules d’acide sont fixés au polymère et ne peuvent pas “s’échapper” mais les protons de ces groupes d’acides sont libres de migrer à travers la membrane.
La membrane polymérique peut être manipulée facilement et sûrement. L’anode et la cathode sont traitées en leur appliquant une petite quantité de platine sur l’une des surfaces d’une fine feuille de graphite poreux qui a été auparavant imperméabilisée au Teflon. L’électrolyte est ensuite mis entre l’anode et la cathode et les trois composants sont assemblés sous chaleur et pression pour produire un assemblage membrane-électrodes.
Cet assemblage, le coeur de la pile à combustible, est épais de moins d’un millimètre.
L’anode et la cathode sont en contact par leur face arrière par des plaques de graphite dans lesquelles des canaux ont été creusés. Les arêtes entre les canaux rendent possible le contact électrique avec l’arrière des électrodes et conduisent le courant au circuit extérieur. Les canaux fournissent le combustible à l’anode et l’oxydant à la cathode.
Les réactions entre les électrodes dans la PEMFC sont analogues à celles qui se produisent dans la PAFC (Pile à acide phosphorique). L’hydrogène provenant du combustible est consommé à l’anode envoyant des électrons à la cathode et produisant des ions hydrogène qui pénètrent dans l’électrolyte.
A la cathode l’oxygène est combiné aux électrons de la cathode et aux ions hydrogène de l’électrolyte pour produire de l’eau. L’eau ne se dissout pas dans l’électrolyte et est rejetée de l’arrière de la cathode dans le courant de l’oxydant. Comme la PEMFC travaille à des températures d’environ 80°C, l’eau est produite à l’état liquide et est acheminée hors de la pile par l’oxydant en excès.
La PEMFC est la plus adaptée à une installation sur des véhicules, entre autres grâce à sa faible température de fonctionnement. Elle équipe actuellement de nombreuses voitures.
Autres types de piles
1) La PAFC (pile à acide phosphorique, de l’anglais Phosphoric Acid Fuel Cell): Les réactions, qui se produisent à un catalyseur de platine, sont les mêmes que dans le cas de la pile PEMFC, avec des températures de fonctionnement variant de 150 à 220°C.
Les composants de ces deux dernières piles à combustible (PAFC et PEMFC) sont très semblables, sauf pour ce qui est de l'électrolyte. Dans le cas de la PAFC, l'électrolyte est de l'acide phosphorique (aussi un électrolyte conducteur de protons), un liquide, alors qu'il s'agit d'un polymère solide dans le cas de la PEMFC. Les deux types de pile utilisent des électrodes de carbone qui permettent la diffusion des gaz, comme dans le cas des PEMFC. Les plaques bipolaires sont deux plaques poreuses séparées par une mince feuille de graphite pour former un substrat côtelé dans lequel l'électrolyte peut être stocké. On procède présentement à l'essai d'autres catalyseurs pour ce type de pile à combustible : fer-cobalt, titane, chrome, zirconium pour n'en mentionner que quelques-uns.
2) L’AFC (pile alcaline, de l’anglais Alkaline Fuel Cell):
Utilisée depuis les années 40, cette pile se trouvait à bord du premier vaisseau spatial habité.
Les réactions se produisent à l'anode et à la cathode à des températures de fonctionnement variant de 120 à 250°C.
Dans ce cas, l'électrolyte (en général, KOH ou NaOH) est un électrolyte conducteur d'hydroxyde (OH-). L'électrolyte peut réagir avec le dioxyde de carbone pour former un composé de carbonate, ce qui réduit énormément le rendement de la pile à combustible. Les électrolytes sont habituellement une combinaison de nickel et d'un métal inactif, comme l'aluminium, permettant ainsi de réduire le coût global du système. Le magnésium métallique ou des composés de graphite sont utilisés pour les plaques bipolaires, des connecteurs qui permettent de construire un assemblage (ou stack) en reliant plusieurs piles en série.
3) La DMFC (pile à méthanol direct, de l’anglais Direct Methanol Fuel Cell):
Il ne faut pas confondre cette pile à combustible avec celle qui utilise du méthanol (ou éthanol) comme source d'hydrogène par le reformage externe (la pile à méthanol indirect).
Dans le cas de la DMFC, le méthanol est directement en contact avec l'anode, à laquelle les réactions se produisent à des températures de fonctionnement ne dépassant jamais 80°C.
Chez une DMFC, ce sont les protons qui se déplacent de l'anode à la cathode, et non les molécules de méthanol. Tout comme c'est le cas chez la PEMFC, cette pile à combustible utilise présentement un électrolyte polymérique échangeur d'ions. Les plaques bipolaires sont faites de graphite, de métal ou de matériaux composites. Le catalyseur à l'anode est composé d'un mélange de ruthénium et de platine pour empêcher l'empoisonnement par le monoxyde de carbone, qui est l'intermédiaire dans la réaction. Les chercheurs, partout dans le monde, s'attaquent aux problèmes associés au passage du méthanol à travers l'électrolyte, diminuant ainsi l'efficacité des DMFC.
4) La MCFC (pile à carbonates fondus, de l’anglais Molten Carbonate Fuel Cell):
Les températures de fonctionnement varient de 600°C à 700°C.
Dans ce cas, l'électrolyte est fait d'un mélange de carbonates de métaux alcalins (carbonates de lithium, de potassium et de sodium) retenus par une matrice céramique d'oxyde d'aluminium et de lithium (LiAlO2). Les plaques bipolaires sont faites d'acier inoxydable recouvert de nickel du côté de l'anode. Le choix des matériaux est extrêmement important, en raison de la nature hautement corrosive de l'électrolyte.
5) La SOFC (piles à oxydes solides, de l’anglais Solid Oxide Fuel Cell):
Les températures de fonctionnement varient de 650°C à 1000°C.
Ce système est muni d'un réformeur interne intégré et utilise aussi le monoxyde de carbone comme combustible.
Une des particularités de la SOFC est son électrolyte à l'état solide (d'autres piles à combustible peuvent aussi avoir des électrolytes à l'état solide, ex., la PEMFC), habituellement du zirconium (Zr2) dopé d'une mole de 8 à 10% d'ytterbium (Y3+), lequel joue le rôle de conducteur pour l'union de l'oxygène (O2-). Les SOFC peuvent être de conceptions planes, monolithiques et tubulaires, et utiliser de l'acier inoxydable, de l'acier austénitique, des matériaux céramiques (ex. chromite de lanthane) selon les températures de fonctionnement et l'électrolyte désirés.
2) Fonctionnement dans un véhicule
2.1 Combustibles
Types de combustibles
Dihydrogène
Le dihydrogène (H2) est un élément essentiel dans une pile à combustible pour la production d'énergie.
Il se combine à l'oxygène pour produire de l'eau. L'énergie chimique qui en résulte est convertie en énergie électrique grâce à un processus électrochimique. On ne peut utiliser le dihydrogène que sous sa forme pure, mais, comme cette forme n’existe que très rarement, il faut l'extraire d'autres sources de combustibles comme le gaz naturel, le méthanol, les produits pétroliers et d’autres.
Eau
L'eau (H2O) est un combustible qui abonde sur notre planète. Elle renferme des atomes d'hydrogène (H) et d'oxygène (O) que l'on peut séparer avec les procédés appropriés.
Gaz naturel
Le gaz naturel est un mélange d'hydrocarbures, surtout du méthane (CH4).
Il est recueilli dans des poches sous la croûte terrestre et il est purifié avant d'être stocké dans des contenants sous la forme de gaz comprimé (GNC) ou de liquide (GNL), pour être ensuite utilisé pour le transport (véhicules au gaz naturel ou VGN) ou pour la production d'énergie ou de chaleur. Ce combustible est non corrosif et il produit une quantité relativement faible de dioxyde de carbone (un gaz à effet de serre) lorsqu'il est brûlé. Non brûlé, le gaz naturel a une action de gaz à effet de serre 21 fois plus élevée que le dioxyde de carbone.
Méthanol
Le méthanol est un alcool (CH3OH) qui peut être produit par le reformage du gaz naturel ou par la digestion du charbon ou de la biomasse (alcool de bois). Il peut être directement utilisé comme combustible dans une pile à méthanol à combustion direct (DMFC) ou comme source d'hydrogène lorsqu'il est traité (pile à méthanol à combustion indirecte ou IMFC).
Produits pétroliers
L’essence, le diesel et le propane sont extraits du pétrole brut et peuvent être traités pour produire de l'hydrogène.
La production d'hydrogène fait présentement partie des activités régulières des raffineries.
Autres combustibles
L'éthanol provient de la fermentation de la biomasse et il peut être traité pour produire de l'hydrogène. On entrevoit aussi la possibilité d'utiliser la biomasse pour la production directe d'hydrogène. L'ammoniac et le charbon sont aussi des sources d'hydrogène. Quasiment tout combustible riche en hydrogène peut être employer.
Préparation
Si le combustible utilisé n'est pas du dihydrogène, il faut le traiter pour y extraire le dihydrogène.
Il existe de nombreux procédés d'extraction du dihydrogène : gaz de synthèse, électrolyse, oxydation partielle, reformage adiabatique, gazéification et craquage de l'ammoniac.
1) Extraction d’un gaz de synthèse
Le dihydrogène peut être extrait d’un gaz de synthèse, qui est un mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène. Ce gaz est obtenu soit à partir du charbon, soit du gaz naturel, soit du pétrole. L’extraction à partir du gaz naturel est la plus efficace, la réaction est:
CH4 + H2O à CO + 3H2
Le monoxyde de carbone est alors réemployé et agité avec de l’eau, une deuxième réaction a lieu:
CO + H2O à CO2 + H2
On constate donc que d’une mole de méthane, on peut extraire 4 moles de dihydrogène.
2) Électrolyse
L'électrolyse est un procédé électrochimique au cours duquel une tension est appliquée à une pile pour décomposer un milieu réactif. C'est le cas avec l'eau où, dans des conditions appropriées, les molécules se séparent en leurs composants de base, le dihydrogène et le dioxygène:
2H2O à 2H2 + O2
Pour se produire, cette réaction a besoin d'électricité.
L'électricité peut être produite par de l'énergie solaire ou de l'énergie éolienne, un procédé beaucoup plus écologique. L'électrolyse de l'eau peut être une source durable de production d'hydrogène selon la source d'électricité.
3) Oxydation partielle
Cette réaction peut être considérée comme une réaction de combustion incomplète. Le composé contenant de l'hydrogène réagit avec une quantité sous-stoechiométrique d'oxygène pour produire un mélange de dihydrogène et de monoxyde de carbone. La formule générale de l'oxydation partielle est:
CnHm + (n/2)O2 à nCO + (m/2)H2
Cette réaction est habituellement exothermique, elle est donc accompagnée d'un dégagement de chaleur.
4) Reformage adiabatique
Le reformage adiabatique combine des réactions de reformage de la chaleur, endothermique, et d'oxydation partielle, exothermique.
La chaleur produite par la réaction d'oxydation partielle est utilisée dans la réaction de reformage de la chaleur pour produire du dihydrogène et du monoxyde de carbone. Les réactions s'équilibrent d'une telle manière que l'énergie requise est nulle.
5) Gazéification
La gazéification est la production du dihydrogène à partir du carbone à l'aide de deux réactions.
réaction 1: C + H2O à CO + H2
réaction 2, une réaction catalytique: CO + H2O à CO2 + H2
Globalement la réaction revient à: C + 2H2O à CO2 + 2H2
Ce processus peut s'appliquer à d'autres substances que le carbone, comme la biomasse ou d'autre hydrocarbures complexes.
7) Craquage de l'ammoniac
L'ammoniac est aussi considéré comme une source d'hydrogène car il peut être craqué à des températures élevées (ex. 400°C):
2NH3 à N2 + 3H2
Il existe encore d’autres méthodes telles que l’utilisation d’algues et d’enzymes produisant de l’hydrogène ou de l’énergie solaire ou éolienne pour électrolyser l’eau.
Cette dernière méthode est totalement propre, dans la mesure où elle ne génère pas d’émissions nocives.
Stockage du dihydrogène
S'il n'est pas utilisé immédiatement, le dihydrogène peut être stocké. Le stockage du dihydrogène est un domaine où il s'effectue beaucoup de recherche. Il y a cinq possibilités de stockage dignes d'intérêt : gaz comprimé, hydrogène liquide, hydrures chimiques, hydrures métalliques et nanotubes de carbone.
1)Dihydrogène comprimé
Le dihydrogène peut être stocké dans des contenants sous pression. L'utilisation de contenants légers dans des applications mobiles est en voie de développement.
Des activités de recherche et développement sont actuellement en cours pour essayer d'atteindre ce but. Le progrès technique va bon train et on espère, pour le moment, atteindre 10 % du poids d'hydrogène par unité de poids (7 % du poids est courant) en utilisant un matériau composite pour les contenants (fibre de charbon et toile d'aluminium).
2)Dihydrogène liquide
Le stockage du dihydrogène sous forme liquide (LH2) présente un véritable intérêt pour les stations service - on aimerait pouvoir l'utiliser directement comme combustible pour les véhicules. Le dihydrogène liquide possède l'une des plus grandes capacités de stockage, avec 20 % du poids du dihydrogène par unité de poids. Sa facilité d'évaporation pose toutefois des problèmes pour le stockage à long terme (environ 1 % du poids d'hydrogène est perdu chaque jour). De plus, comme du dihydrogène doit être refroidi à 22 K (ou -252°C) pour exister à l'état liquide, des questions de sécurité en retardent toujours l'utilisation dans les stations service (ex.
gelure).
3)Stockage du dihydrogène sous la forme d'hydrures chimiques
On peut faire réagir du dihydrogène avec un métal terreux alcalin, un métal alcalin, ou un métal complexe pour son stockage (avec, en moyenne, une capacité de 7 % du poids d'hydrogène par unité de poids). Ces réactions sont réversibles, selon les conditions dans lesquelles s'effectue l'expérience. Ces réactions sont endothermiques de gauche à droite, et fortement exothermiques de droite à gauche.
Réaction avec un métal terreux alcalin par le biais d'une réaction endothermique (de gauche à droite). L'hydrure de calcium (CaH2) réagit violemment avec l'eau à une pression normale:
2H2 + Ca(OH)2 à CaH2 + H2O
La réaction avec un métal alcalin est courante et coûte très peu cher:
H2 + NaOH à NaH + H2O
Réaction avec un métal complexe aussi par le biais d'une réaction endothermique (de gauche à droite).
L'hydrolyse du borohydrure de sodium (NaBH4) est aussi fortement exothermique:
4H2 + NaOH + H3BO3 à NaBH4 + 4H2O
(20 % du poids d'H2 a été obtenu avec le NaBH4 et l'eau dans des quantités stoechiométriques.)
Ces réactions peuvent prendre place dans de petits contenants d'où du dihydrogène peut être libéré par réaction avec l'eau. La manipulation et le transport des contenants est sans danger mais ils sont encore chers. De plus, il y a présence de substances hautement corrosives (l'hydroxyde de sodium (NaOH) entre autres). En outre, le dégagement de dihydrogène est parfois fortement exothermique. Il faut aussi gérer la chaleur dégagée avec le gaz.
D'autres métaux, comme les hydrures d'alanate (ex. NaAlH4) peuvent aussi être utilisés avec une capacité de 5,5 % par poids de dihydrogène (à des températures inférieures à 100°C).
4)Stockage du dihydrogène sous la forme d'hydrures métalliques
Le dihydrogène peut réagir avec un alliage métallique tel que les alliages à base de titane, de fer, de manganèse, de nickel ou de chrome, entre autres. Cet alliage métallique M subit la réaction suivante:
M + H2 à MH2
Remarque: Comme toute réaction rédox, cette réaction est réversible.
De gauche à droite, il y a application de pression au système, le dihydrogène se lie alors au métal par une réaction exothermique. Si la pression baisse ou que la température augmente, le dihydrogène est libéré et la réaction va de droite à gauche (réaction endothermique).
Ces réactions prennent souvent place dans des contenants dont la manipulation et le transport sont sécuritaires avec une capacité de 7 % par poids d'hydrogène. Les hydrures métalliques peuvent être sensibles aux impuretés contenues dans le dihydrogène.
5)Stockage du dihydrogène dans des nanotubes
On peut retrouver le carbone sous trois formes solides : graphite, diamant et fullerènes. Les fullerènes sont composés de nombreux atomes de carbone (60 atomes dans le cas des molécules plus courantes, mais il peut exister des molécules composées d'un plus grand nombre d'atomes) qui sont reliés pour créer une « balle de bucky » (balle de football) formée avec les faces de forme hexagonale du carbone (la sphère a besoin d'une face en forme de pentagone pour compléter la balle). Au lieu de former des sphères, ces faces de forme hexagonale peuvent former des tubes, aussi appelés nanotubes, qui peuvent être utilisés pour stocker le dihydrogène. Le recours aux nanotubes pour le stockage du dihydrogène est toujours un domaine de recherche très actif, et il pourrait être bien en vue dans les années à venir.
Jusqu'à présent, on a rapporté qu'il était possible de stocker jusqu'à 68 g d'hydrogène par 100 g de masse totale du contenant (capacité maximale dans les nanotubes en graphite (en forme d'arête de poisson) et à 20°C). Les discussions scientifiques se poursuivent en vue de déterminer la capacité de stockage et pour comprendre le procédé à fond.
2.2 Utilisation de l’énergie produite
Le procédé électrochimique de la pile à combustible n'est pas efficace à 100%. Une partie de l'énergie est dégagée sous la forme de chaleur qui est transférée à l'environnement. La gestion de l'eau affecte aussi l'efficacité d'une pile à combustible.
Ce problème fait l'objet d'études techniques en vue d'accroître la quantité d'électricité générée par l'assemblage.
Utilisation de l’électricité
Le courant électrique produit par la pile à combustible est tout d’abord intensifié avant d’être réparti entre les différents composants du véhicule. En premier lieu, il fait marcher un moteur électrique qui entraîne à son tour les roues de la voiture. Une partie du courant est utilisée par l’appareillage électrique et le reste est emmagasiné dans la batterie pour une future utilisation.
Gestion de la chaleur
L'énergie résiduelle libérée par la réaction électrochimique de la pile à combustible est contrôlée pour un rendement optimal et une efficacité accrue.
La chaleur excédentaire peut être utilisée pour fournir de l'air chaud à l'utilisateur.
Elle peut même être utilisée dans des systèmes de conditionnement d'air des voitures utilisant des refroidisseurs d'absorption.
Gestion de l'eau
La PEMFC est beaucoup plus sensible que les autres piles à combustible qui fonctionnent à des températures plus élevées (PAFC, MCFC (pile à carbonates fondus), SOFC (pile à oxydes solides)) parce que l'eau y est présente sous la forme l'un liquide au lieu d'une vapeur. L'eau produite par la pile à combustible peut être utilisée comme transporteur de chaleur sous la forme de liquide ou de vapeur.
Dans le cas de la PEMFC, il existe deux scénarios possibles :
L'eau est tirée au travers de l'électrolyte, de l'anode à la cathode, et elle assèche complètement la membrane (souvent la quantité d'eau perdue excède la qualité produite à la cathode). Ce phénomène s'appelle le flux électro-osmotique. L'humidification des gaz peut empêcher que ce phénomène ne se produise.
L'eau est accumulée sur la cathode en raison du flux électro-osmotique et de la production d'eau (voir les réactions chimiques). L'électrode est inondée, et son efficacité chute. Le gaz réactant peut expulser la quantité d'eau additionnelle si le taux du flux est augmenté. Il faut qu'il y ait un équilibre pour empêcher l'assèchement de la membrane (trop d'eau a été expulsée) et l'inondation de la cathode (pas suffisamment d'eau a été enlevée).
L'eau, sous forme de liquide ou de vapeur, est un sous-produit utile si elle est gérée adéquatement. Elle peut servir à humidifier les gaz, elle est un réactif dans certains processeurs de quantité de carburant et elle peut être utilisée dans les échangeurs de chaleur pour la gestion de la chaleur.
Pendant les missions spatiales, les astronautes boivent l'eau produite par les piles à combustible. L'eau provenant d'une pile à combustible est habituellement potable.
2) Aspects économiques
2.1 Combustible et rendement
Les voitures propulsées par des piles à combustible offrent de nombreux avantages par rapport aux voitures roulant sur batterie car elles peuvent être ravitaillées rapidement et peuvent faire plus de route avant chaque ravitaillement.
Les piles à combustible peuvent promouvoir la diversité énergétique et une transition vers les énergies renouvelables. L’hydrogène, l’élément le plus abondant sur Terre, peut être utilisé directement ainsi que des combustibles contenant du dihydrogène comme le méthanol, l’éthanol, le gaz naturel et même du gazole ou du diesel.
Certaines piles à combustible sont alimentées au gaz provenant des stations d’épuration d’eau, dont le méthane. Lorsque l’on utilise du dihydrogène pur, la seule émission est de l’eau, qui peut alors être électrolysée pour une future réutilisation. Ce cycle continu est capable de remplacer les sources d’énergie traditionnelles car il est indéfiniment renouvelable. Les scientifiques orientent leurs recherches vers un procédé de fabrication de dihydrogène en masse pour le rendre moins cher et plus compétitif.
Les piles à combustible offrent en outre un rendement beaucoup plus élevé que celui des moteurs traditionnels. Après un siècle de développement, la combustion interne ne délivre encore que 19 % de l’énergie de l’essence pour faire tourner les roues du véhicule.
Les piles à combustibles atteignent en revanche 40 à 45 % et sont sans doute capables de plus.
2.2 Une technologie onéreuse
Les industriels de l’automobile se livrent une sévère compétition pour être le premier à mettre sur le marché une voiture propulsée par une pile à combustible. Ces sociétés investissent des milliards de dollars dans la recherche vers la commercialistion. Certaines se concentrent sur l’emploi de dihydrogène pur tandis que d’autres cherchent des débouchés sur des hydrocarbones de type gasoil. Des études ont examiné l’efficacité des FCVs (Fuel Cell Vehicle, véhicule à pile à combustible) par rapport aux véhicules conventionnels.
Les résultats montrent que les FCVs à méthanol présentent une économie de combustible de 2.1 à 2.6 fois par rapport aux voitures à combustion interne.
Les piles à combustible restent cependant peu compétitives sur le marché. Un motuer de véhicule conventionnel coûte environ 3000$ à produire et plus de recherche est nécessaire pour abaisser le coût de production d’une pile à combustible à ce niveau. L’une des raison principales pour lesquelles elles ne peuvent pour l’instant s’imposer est qu’elles n’ont été produites qu’en nombre restreint.
Lorsque la Ford T a été introduite, elle était aussi très chère. Seule sa production en masse lui a permis de devenir accessible à une large clientèle.
2.3 Sûreté de l’hydrogène
De nombreux mythes concernant la dangerosité de l’hydrogène ont été démentis dernièrement. Une étude sur l’accident du Hindenburg démontra il y a deux ans que l’hydrogène n’était pas en cause dans la catastrophe du dirigeable. Addison Blain, un expert de la NASA, a mené une enquête sur l’affaire et a soumis à une équipe de son agence des morceaux du Hindenburg gardés comme souvenirs.
Son hypothèse était que l’hydrogène du dirigeable n’avait pas joué un rôle majeur dans l’incendie. Plusieurs témoins déclarèrent avoir vu ce qui semble être un feu de Saint Elme, des éclairs attirés à la surface du dirigeable géant. Son étude sur des débris de l’envellope du ballon montra qu’elle était constituée soit d’acétate de cellulose, soit de nitrate de cellulose. Or, ces deux matières son inflammables...
De plus, des petits morceaux d’aluminium avaient été ajoutés au revêtement pour renvoyer les rayons du soleil et éviter un échauffement dangereux du gaz. Bain souligna que le nitrate de cellulose et des morceaux de métal entraient dans la composition de combustibles pour missiles et suggéra qu’il pouvait être pour le moins risqué d’en recouvrir un dirigeable! En somme, le Hindenburg était une entreprise à haut risque.
Des tests de sécurité conduits par Ford pour le Département de l’Energie américain ont quant à eux montré qu’il était plus sûr de stocker de l’hydrogène que de l’essence pour l’utilisation par un véhicule.
De nos jours, l’hydrogène est stocké dans les véhicules dans des réservoirs renforcés très performants: ils sont conçus pour résister à une collision frontale de 80 km/h, à un “bain” dans du diesel en feu et à des pressions de 2.25 fois la pression normale sans se fissurer. Les réservoirs sont aussi soumis à des tirs de pistolet et ne doivent pas exploser mais seulement fuir par le trou causé.
Mieux vaut ne pas essayer cela avec un réservoir d’essence! En outre, l’hydrogène est plus volatil que l’essence et se disperse donc plus vite, limitant les risques d’un incendie après une large fuite. La température à laquelle l’hydrogène s’enflamme est quatre fois plus élevée que celle de l’essence.
Il ressort donc que le stockage et l’utilisation de l’hydrogène sont beaucoup plus sûrs que ceux de l’essence.
3) Aspects écologiques
3.1 Moteur non polluant
D’après la Banque Mondiale, plus d’un milliard de personnes vivant dans des zones urbaines souffrent d’une sévère pollution de l’air et 700.000 personnes en meurent chaque année.
Les transports sont responsables de 25% des émissions de gaz à effet de serre et la situation empire d’année en année.
Les piles à combustible permettent de convertir sans bruit et sans combustion le gaz naturel, le méthane et l'hydrogène en électricité. Lorsqu'elles sont alimentées directement par de l'hydrogène, ces piles n'émettent que de la chaleur et de la vapeur d'eau. Grâce à cette technologie, il devrait être possible de diminuer les émissions de gaz à effet de serre que l'on soupçonne de provoquer le réchauffement de la planète. Durant la première partie du XXIe siècle, cette “technologie de conversion” écologique devrait permettre le développement d'une nouvelle industrie du savoir qui pourrait donner lieu à la création d'emplois.
De plus, les piles à combustible libérent de l’eau qui peut-être récupérée pour être électrolysée, cette technologie représente une source d’énergie propre capable de s’auto-entretenir.
3.2 Production du combustible
L'utilisation à grande échelle de la technologie des piles à combustible pourrait révolutionner de nombreux aspects de l'économie dans le monde entier. Des quantités d'énergie de plus en plus importantes seront nécessaires pour assurer une croissance économique continue. Cependant, la production de cette énergie supplémentaire à l'aide de processus traditionnels risque d'engendrer une augmentation des émissions de gaz à effet de serre et de porter préjudice à
l’environnement. Cette technologie contribuera donc à résoudre le dilemme entre la production énergétique et le respect de l'environnement.
Les méthodes de production de l’hydrogène peuvent être considérées dans leur ensemble comme étant proches du “zéro émission” tant poursuivi.
Les enzymes et autres bactéries, l’énergie solaire et éolienne ne sont que quelques-uns de ces moyens. Aux Etats-Unis, on utilise le méthane provenant des décharges et stations de retraitement de l’eau pour extraire l’hydrogène.
3.3 Autres aspects
Les piles à combustible présentent en outre l’avantage d’être silencieux du fait du nombre très réduit de pièces. Elles sont en majorité soudées les unes aux autres. Le bruit est l’un des facteurs pénalisant les véhicules à essence et surtout diesel.
Si cette technologie se généralise, cela permettra de réduire considérablement les nuisances sonores.
Les piles à combustible sont beaucoup plus efficaces que les moteurs à combustion interne, ce qui permet de parcourir une plus grande distance avec la même quantité de combustible et de limiter les émissions nocives.
Les fuites d’essence et d’huile, fréquentes pour les voitures conventionnelles, n’ont pas lieu d’être avec une pile à combustible, qui n’utilise pas ces matières polluantes. Ainsi, la pollution des sols et des nappes phréatiques pourra être réduite par l’utilisation de véhicules propres.
4) Conclusion
Avantages et inconvénients des piles à combustible
Avantages Inconvénients
Efficacité des moteurs à essence 33%
Efficacité des piles à comb. 50%-80%
Production coûteuse
Non-polluantes
Technologie encore restreinte
Apport d’hydrogène et d’air
Utilisent toutes les énergies
Pas de pièces détachées
Silencieuses
Il ressort de ce tableau que la technologie des piles à combustible est très prometteuse, bien qu’encore à ses débuts.
Multilatérales, ces piles permettent une production propre et efficace de l’énergie à l’heure où l’on prédit un prochain épuisement des sources d’énergie fossiles.
Actuellement, leur coût prohibitif et des difficultés techniques et scientifiques font qu’elles restent au stade de projets en cours de développement mais elles pourraient bien se révéler être, à terme, un outil majeur pour remédier à la pollution de notre planète et aux émissions de gaz à effet de serre.
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