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L'hydrogène

La pile à combustible


​La pile à combustible représente un domaine potentiel de production d'électricité allant de quelques watts à des millions de watts.

Publié le 1 décembre 2013

Une technologie d'avenir déjà ancienne

Le développement de la filière hydrogène repose en grande partie sur la technologie de la pile à combustible (PAC). Son principe n’est pas nouveau, puisqu’il fut découvert dès 1839 par William R. Grove. À l’époque, cet avocat anglais, chercheur amateur en électrochimie, constate qu’en recombinant du dihydrogène et du dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité. La pile à combustible est née.

C’est Francis T. Bacon, ingénieur, qui réalisera, en 1953, le premier prototype industriel de puissance notable (de l’ordre du kW). Mais seule la Nasa exploitera cette technologie, dans les années 60, pour fournir en électricité certains de ses vaisseaux Gemini et Apollo

Car si le principe de la pile à combustible paraît simple, sa mise en œuvre est complexe et coûteuse, ce qui interdisait jusqu’alors sa diffusion dans le grand public. Aujourd’hui, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses. De la micro pile à combustible (microPAC), qui ne produit que les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’un téléphone mobile, à la pile capable de produire 1 MW pour fournir de l’électricité à un immeuble collectif, en passant par la pile destinée aux applications embarquées, dans le secteur des transports, il en existe désormais toute une gamme. Le principe de fonctionnement est toujours le même, mais différentes technologies sont en développement suivant la nature du combustible envisagé (hydrogène ou méthanol, gaz naturel, ammoniaque, etc) et suivant la température de fonctionnement optimale.

AnimationpileAfficher en plein écran
VidéoHydrogène et pile à combustible : produire de l'électricité "verte"
VidéoLaboratoire système piles à combustible

* Substance conductrice chargée de véhiculer les ions.
** Qui ne supposent pas de déplacement.


Les différentes filières technologiques

Il existe plusieurs types de piles à combustible qui se différencient par leur électrolyte*. Celui-ci définit la température de fonctionnement et donc les applications. Plusieurs types de combustibles sont envisageables : dihydrogène, gaz de synthèse, gaz naturel, gaz issus de la biomasse, alcools. Selon l’origine du combustible, les piles à combustible peuvent, ou non, émettre des gaz à effet de serre. La R&D porte actuellement sur les améliorations techniques (compacité, rendement énergétique, résistance à l’usure, fonctionnement sur de nombreux cycles…) ainsi que sur la baisse des coûts de production.


Les deux principales familles de piles à combustible étudiées au CEA sont :

  • La pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC) fonctionne aux alentours de 100 °C avec un électrolyte en polymère. C’est la plus prometteuse pour les transports, et la plus développée. On est actuellement au stade pré-industriel avec des coûts de l’ordre de 1 000 €/kW. L’enjeu des recherches est de faire passer ce coût en dessous de 50 €/kW. Deux variantes, la pile à méthanol direct et la pile à éthanol direct, consomment directement l’hydrogène contenu dans l’alcool. Très compactes, elles sont promises à l’alimentation de la micro-électronique (chargeurs) et de l’outillage portatif.

  • La pile à oxyde solide (SOFC) est séduisante pour les applications stationnaires**, car sa température de fonctionnement très élevée (de l’ordre de 800 °C) permet d’utiliser directement le gaz naturel sans reformage. De plus, la chaleur résiduelle peut être exploitée à son tour directement, ou servir à produire de l’électricité par le biais d’une turbine à gaz. Dans ce cas, le rendement global (électrique et thermique) pourrait dépasser 80 %.

ReportageLes piles à combustibles
  • Pile à combustible pour automobile
    Pile à combustible Genepac, développée en 2006, en partenariat avec Peugeot PSA.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 24 mai 2006 / Lieu : CEA Grenoble
    Pile à combustible pour automobileAfficher en plein écran
  • Banc de test pour piles à combustible
    Banc de test pour piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC)
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 24 mai 2006 / Lieu : CEA Grenoble
    Banc de test pour piles à combustibleAfficher en plein écran
  • Membranes pour piles à combustible
    Membranes neuves pour piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC)
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 20 juillet 2010 / Lieu : CEA Grenoble
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  • Monocellule de pile à combustible
    Préparation et montage d’une monocellule de pile à combustible à membrane d'échange de protons « basse température ».
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 27 avril 2010 / Lieu : CEA Le Ripault
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  • Electrodes de pile à combustible
    Expériences sur des électrodes de pile à combustible à faible chargement en platine.
    Crédits photo : PF.Grosjean/CEA / Date : 29 juillet 2009 / Lieu : CEA Grenoble
    Electrodes de pile à combustibleAfficher en plein écran
  • Banc de test de piles à combustible
    Banc de test en vieillissement et cycles de mono-cellules de piles à combustible.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 30 octobre 2008 / Lieu : CEA Grenoble
    Banc de test de piles à combustibleAfficher en plein écran
  • Tests de piles à combustible
    Electrolyseur pour tests de cellules céramiques, dans le cadre des applications des piles à combustible à oxyde solide (SOFC).
    Crédits photo : Artechnique/CEA / Date : 13 juin 2007 / Lieu : CEA Grenoble
    Tests de piles à combustibleAfficher en plein écran
  • Sérigraphie de piles à combustible
    Banc de sérigraphie avec application d'une encre céramique pour piles à combustible à oxyde solide (SOFC)
    Crédits photo : F.Rhodes/CEA / Date : 9 août 2007 / Lieu : CEA Grenoble
    Sérigraphie de piles à combustibleAfficher en plein écran
  • Micros piles à combustible
    Gamme de micros piles à combustible (micro-PAC) pour une application en téléphonie.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 24 mai 2006 / Lieu : CEA Grenoble
    Micros piles à combustibleAfficher en plein écran