Cet article se concentrera sur l’histoire du développement des piles à combustible, vous faisant découvrir certains événements importants de leur évolution.
Découverte de l’électrolyse de l’eau
Le développement des piles à combustible ne peut être discuté sans mentionner William Nicholson et Anthony Carlisle. C’est leur proposition en 1800 d’utiliser l’électricité pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène qui a conduit à une série d’expériences ultérieures sur l’électrolyse de l’eau.
Date de naissance du premier prototype de pile à combustible
Dans les années 1830, le chimiste britannique William Grove eut une idée intéressante en menant des expériences d’électrolyse de l’eau. Il pensait que si l’eau pouvait être décomposée en hydrogène et en oxygène avec de l’électricité, alors le processus inverse, où l’hydrogène et l’oxygène se combinent pour former de l’eau, devrait générer de l’électricité. Il a déconnecté le courant et, après cela, les électrodes sont devenues polarisées, maintenant une différence de potentiel entre elles. Lorsqu’un circuit externe a été connecté, un courant a circulé. Grove a nommé cet appareil la « batterie voltaïque à gaz ». Cette recherche a été publiée dans un magazine philosophique en février 1839, marquant la date de naissance du premier prototype de pile à combustible.
Proposition du concept de pile à combustible
Cinquante ans plus tard, le célèbre chimiste Ludwig Mond et son assistant Charles Langer ont réussi à mener des expériences en 1889 pour générer de l’électricité en utilisant de l’hydrogène et de l’oxygène. Ils ont utilisé des feuilles de platine enduites de platine avec de grandes surfaces comme électrodes pour empêcher les pores du catalyseur d’être inondés par l’électrolyte, et une base céramique poreuse remplie d’acide sulfurique comme électrolyte non circulant. Cette cellule produisait une densité de courant de 6A/p² (1p² = 0,092903m²) à une tension de 0,73V.
Cependant, cette cellule présentait des inconvénients importants : elle était coûteuse, avait une faible réutilisabilité et ses performances déclinaient rapidement, limitant son application pratique. Malgré ces problèmes, le terme « pile à combustible » a été introduit à cette époque et est utilisé depuis lors.
Fonctions des divers composants des piles à combustible
En 1894, le développement des piles à combustible avait des bases théoriques pour orientation. Cette année-là, Friedrich Wilhelm Ostwald, une figure fondatrice de la chimie physique, a mentionné dans un journal électrochimique allemand le concept d’utiliser l’oxygène de l’air pour oxyder directement les combustibles naturels par des principes électrochimiques, sans générer de chaleur, pour créer un appareil générateur de puissance. Il a déclaré : « À l’avenir, la production d’énergie électrique sera électrochimique, non restreinte par la deuxième loi de la thermodynamique. Par conséquent, l’efficacité de conversion énergétique sera plus élevée que l’efficacité des moteurs thermiques. »
Ostwald s’est concentré sur la recherche théorique de la thermodynamique des piles à combustible, proposant de nombreuses idées et théories sur le fonctionnement des piles à combustible et prouvant expérimentalement les fonctions des divers composants des piles à combustible. Son article publié a jeté les bases du domaine des piles à combustible et marqué le début de vastes travaux de recherche.
« Batterie au charbon »
Suite à cela, en 1896, l’ingénieur américain William Jacques a affirmé avoir développé une « batterie au charbon », qui se composait d’une anode de charbon et d’une cathode de fer immergées dans un électrolyte caustique fondu avec de l’air passant à travers. Jacques a obtenu une densité de courant de 100mA/cm² et une puissance de sortie de 1,5kW (à partir d’un empilement de 100 cellules) à 450°C à partir de cette batterie.
Cependant, des recherches ultérieures ont révélé que la réaction de l’anode dans la batterie de Jacques était l’oxydation de l’hydrogène produit par la réaction entre le fer et l’eau de l’électrolyte, et l’efficacité réelle de la batterie n’était que de 8%, bien inférieure aux 82% revendiqués par Jacques. De plus, l’oxyde de sodium fondu était continuellement consommé en réagissant avec le CO2 généré, donnant à la batterie une durée de vie de seulement six mois.
La première vague de développement des piles à combustible
Au cours de cette période, en 1932, le professeur Francis Thomas Bacon de l’Université de Cambridge a amélioré la pile à combustible précoce de Mond-Langer. Il a remplacé l’électrolyte acide par un électrolyte alcalin (KOH) et a utilisé des électrodes de diffusion gazeuse poreuses. Une couche qui empêchait la perméation du gaz était appliquée sur le côté où les électrodes étaient en contact avec l’électrolyte, empêchant le gaz de traverser les électrodes. Après des années de recherche, Bacon a obtenu un brevet pour la première pile à combustible alcaline en 1959. En 1960, il a publiquement démontré une pile à combustible avec une puissance d’entrée de 5-6 kW. Sa démonstration a conduit à des activités de recherche à grande échelle dans de nombreux pays, marquant la première vague de développement des piles à combustible.
Un nouveau type de pile à combustible : la pile à combustible à membrane échangeuse de protons
À la fin des années 1950, W. Thomas Grubb, un chercheur chimique chez General Electric Company (GE), a conçu une pile à combustible utilisant une membrane échangeuse d’ions en polystyrène sulfoné comme électrolyte, apportant une révolution dans les piles à combustible. Trois ans plus tard, un autre chercheur chez GE, Leonard Niedrach, a encore amélioré le design en déposant du platine sur la membrane, le platine étant le catalyseur essentiel pour les réactions d’oxydation de l’hydrogène et de réduction de l’oxygène. Cela a conduit à la naissance de la nouvelle pile à combustible, la pile à combustible à membrane échangeuse de protons, également connue sous le nom de pile à combustible Grubb-Niedrach.
Simultanément, GE a développé une petite pile à combustible pour la division électronique du Bureau des navires de la marine américaine et le corps de signalisation de l’armée américaine, utilisant l’hydrogène généré par la réaction entre l’eau et l’hydrure de lithium comme carburant. Dans les années 1960, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons ont commencé à être commercialisées et ont été utilisées dans les missions spatiales Gemini. Malheureusement, en raison de la contamination interne et des problèmes de perméation du gaz avec la membrane échangeuse, elles n’ont pas été utilisées dans les missions Apollo suivantes ni dans le programme de la navette spatiale. Au cours de la décennie suivante, GE a réalisé des avancées significatives dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, qui ont trouvé des applications dans les domaines militaire et aérospatial.
Amélioration des piles à combustible alcalines
Au début des années 1960, le fabricant d’avions et de moteurs Pratt & Whitney (P&W) a obtenu les droits de brevet pour la pile de Bacon et l’a redessinée. En introduisant une solution alcaline à plus haute concentration (85 % KOH) et en réduisant la pression du gaz, l’efficacité de la pile à combustible alcaline a été considérablement augmentée. Ces piles à combustible P&W ont ensuite été utilisées dans le programme Apollo.
Renouveau des piles à combustible à membrane échangeuse de protons
Dans les années 1980, l’application des piles à combustible en tant que sources d’énergie indépendantes de taille moyenne à petite est devenue plus importante. Les piles à combustible pouvaient répondre aux besoins des zones hors de portée des réseaux électriques urbains et montraient un potentiel prometteur dans le transport et les appareils portables.
Par conséquent, la membrane échangeuse d’ions polymère Nafion développée par DuPont aux États-Unis est devenue reconnue pour améliorer considérablement les performances et la durée de vie des piles à combustible relativement petites tout en réduisant efficacement la charge en platine. Cela a conduit à une résurgence de l’intérêt pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, attirant des utilisateurs potentiels dans de nouveaux domaines d’application.
La deuxième vague de développement des piles à combustible
À partir du milieu des années 1980, le nombre de publications liées aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons a augmenté rapidement. Cela était principalement dû à deux raisons : le nombre croissant d’automobiles causant la pollution de l’air et la forte demande de batteries à grande capacité pour les appareils portables. Ces facteurs ont conduit à une recherche continue sur les piles à combustible, marquant le début de la deuxième vague de développement des piles à combustible. Les avancées les plus significatives au cours de cette phase ont concerné les piles à combustible à membrane échangeuse de protons.
La première pile à combustible à membrane échangeuse de protons utilisée dans le vaisseau spatial Gemini avait une puissance de sortie de 1 kW. En raison de la haute résistance ohmique et de la stabilité chimique insuffisante de la membrane, la cellule unique avait une densité de courant de moins de 100 mA/cm² à 0,6 V, une densité de puissance d’environ 60 mW/cm² et une durée de vie de moins de 2000 heures. Cependant, au cours de la deuxième vague de développement des piles à combustible, les performances des piles à combustible à membrane échangeuse de protons ont connu des améliorations révolutionnaires. En 1990, la densité de puissance avait atteint 600-800 W/cm² et la durée de vie s’était étendue à des dizaines de milliers d’heures. Ces percées étaient attribuées aux avancées de divers composants, conduisant à la commercialisation généralisée des piles à combustible à membrane échangeuse de protons améliorées.
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons deviennent courantes
À la fin des années 1990, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) étaient devenues courantes, tandis que la recherche sur les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les piles à combustible à carbonate fondu haute température (MCFC) continuait. Cependant, la recherche sur les piles à combustible alcalines avait considérablement diminué depuis les années 1980.
Entrée dans le 21e siècle
Au 21e siècle, les dispositifs portables à pile à combustible et les véhicules civils à pile à combustible se développent continuellement. Les ferries, bus et systèmes de transport ferroviaire à pile à combustible ont des déploiements stratégiques et des plans de développement relativement matures dans de nombreux pays et régions.
2014 : La première année de commercialisation des véhicules à pile à combustible
La sortie du modèle Mirai en 2014, le premier véhicule à pile à combustible produit en série par Toyota, a marqué le début de la commercialisation des véhicules à pile à combustible. En raison de son prix élevé et du manque d’infrastructure de ravitaillement en hydrogène, seulement 6 000 véhicules Mirai ont été vendus dans le monde. La Mirai est assemblée à la main dans l’usine japonaise de Toyota, où les composants de 13 usines différentes sont assemblés par des travailleurs, produisant seulement 6,5 voitures par jour. Le composant le plus cher de la Mirai est la pile à combustible, coûtant 11 000 dollars, ce qui représente un sixième du prix total de la voiture. Le système de Toyota peut réduire le coût de production de la pile à combustible à moins de 8 000 dollars grâce à une augmentation de la capacité de production.
Le premier superyacht au monde alimenté à l’hydrogène
En 2020, le yacht Aqua a été introduit, devenant le premier superyacht au monde alimenté à l’hydrogène. Conçu par la société néerlandaise Sinot Yacht & Architecture, le yacht Aqua dispose de cinq ponts au-dessus et de deux réservoirs de 28 tonnes scellés sous vide contenant de l’hydrogène liquide en dessous. Il a une vitesse maximale de 32 km/h et peut parcourir 6 035 km avec un plein d’hydrogène. En cas d’insuffisance de l’approvisionnement en hydrogène liquide, le yacht Aqua peut utiliser du carburant diesel de secours pour assurer un fonctionnement normal.
Étape importante pour les véhicules à hydrogène en Chine
En 2022, le nombre de véhicules à hydrogène en Chine a dépassé les 10 000 pour la première fois, atteignant 14 979, faisant de la Chine le pays avec le plus grand nombre de véhicules commerciaux à hydrogène au monde. La Chine a également construit 358 stations de ravitaillement en hydrogène, représentant près de 50 % du total mondial, se classant au premier rang mondial en termes de stations construites, opérationnelles et nouvellement construites. D’ici 2025, il est estimé que la Chine aura 100 000 véhicules à hydrogène et plus de 1 000 stations de ravitaillement en hydrogène.
Recherche actuelle sur les piles à combustible
En 2023, l’Université fédérale de l’Oural en Russie a développé une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) plus respectueuse de l’environnement qui peut remplacer les batteries acides, alcalines et au lithium. Les SOFC ont des anodes en métal céramique et des cathodes en oxyde poreux. Pour simplifier la production de SOFC, les chercheurs ont conçu des cellules symétriques avec des compositions d’électrode identiques. Les nouveaux composés ferrites à base de fer, de baryum et de lanthane utilisés pour produire des SOFC symétriques présentent une conductivité élevée et une faible résistance à la polarisation dans l’air. Les chercheurs de l’Université de Nagoya au Japon ont développé une nouvelle membrane électrolyte polymère à acide sulfonique super-haute densité pour les piles à combustible, un composant clé des piles à combustible à électrolyte polymère respectueuses de l’environnement.
Application large et avenir des piles à combustible
Selon le dernier rapport « Global Hydrogen Review 2023 » de l’Agence internationale de l’énergie, l’intérêt mondial pour l’hydrogène reste élevé. Il est prévu que la production mondiale d’hydrogène à faibles émissions atteindra 38 millions de tonnes par an d’ici 2023, une augmentation de 50 % par rapport au rapport de 2022. En décembre, le Hydrogen Council et McKinsey & Company ont conjointement publié une mise à jour du rapport « Global Hydrogen Insights ». L’analyse de plus de 1 400 projets majeurs d’hydrogène montre que malgré des défis tels que la hausse des taux d’intérêt et les contraintes de la chaîne d’approvisionnement, l’économie mondiale de l’hydrogène continue de croître. Le rapport indique que l’investissement total dans les projets mondiaux d’hydrogène a augmenté pour atteindre 570 milliards de dollars, couvrant la production, l’utilisation finale et l’infrastructure, soit une augmentation de 35 % par rapport à 2022.
La technologie des piles à combustible se développe et s’applique encore rapidement, et on pense que dans le futur, la technologie des piles à combustible brillera de mille feux et nous mènera vers une société hydrogène.
Article associé:
Applications Pratiques des Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons