Applications pratiques des piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Points clés à retenir

• Les piles à combustible PEM sont passées du stade de la recherche à une utilisation industrielle validée dans les transports routiers, ferroviaires et maritimes. Les véhicules particuliers et les poids lourds privilégient la densité de puissance et le ravitaillement rapide ; le transport ferroviaire met l’accent sur une alimentation modulaire et fiable sur les lignes non électrifiées ; les systèmes maritimes privilégient les faibles émissions locales et une intégration sûre.

• Le choix d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dépend de son cycle de service, et non de son seul rendement. Les applications à grande autonomie, à forte utilisation quotidienne, avec des intervalles de recharge courts ou des contraintes d'encombrement/de masse pour les batteries privilégient la PEMFC ; les scénarios de trajets courts et de recharges fréquentes privilégient les batteries électriques.

• Le déploiement des véhicules est lié à celui des infrastructures hydrogène. Fin 2023, on comptait plus de 82 000 véhicules à pile à combustible et 930 stations de ravitaillement en hydrogène dans le monde ; la densité régionale des stations influe fortement sur la viabilité et la rentabilité des flottes . +1

• Les prototypes ferroviaires et maritimes sont désormais opérationnels. Les trains à hydrogène d'Alstom ont assuré le transport de passagers et réalisé des essais sur plusieurs milliers de kilomètres ; le tramway intelligent à hydrogène de CRRC offre une autonomie supérieure à 200 km par plein. Les projets maritimes ont progressé, passant de navires à passagers de 48 kW à des solutions intégrées de classe MW actuellement en développement.

• Les limites commerciales sont au niveau du système, et non au niveau de la pile. La fiabilité de l'approvisionnement en hydrogène et son coût, la complexité des autres composants de l'installation, sa durabilité sous différents profils de charge (catalyseur, membrane, plaques bipolaires, joints) et les facteurs environnementaux (démarrage à froid, corrosion) déterminent sa faisabilité.

• Les plaques bipolaires sont un élément clé de la fiabilité des piles à combustible. Étant donné qu'elles régissent la conduction électrique, la distribution des gaz, le transfert de chaleur, la gestion de l'eau et la compression des piles, le matériau des plaques, la géométrie du champ d'écoulement, les tolérances et les revêtements ont une incidence directe sur les performances à long terme.

• Les architectures hybrides permettent d'équilibrer l'énergie continue et la puissance transitoire. Une pile à combustible PEM peut fournir une énergie constante tandis qu'une batterie gère les pics de charge, le freinage régénératif et les variations de charge à court terme ; l'architecture optimale dépend du profil de fonctionnement.

Depuis l'invention des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dans les années 1950, les scientifiques du monde entier n'ont cessé de mener des recherches approfondies sur ces technologies. Ces travaux ont permis des progrès considérables en matière de performance, de durée de vie et de coût, favorisant ainsi leur utilisation généralisée dans les transports, les sources d'énergie portables et la production d'énergie décentralisée, et contribuant progressivement à leur commercialisation.

Selon un rapport de GLOBE NEWSWIRE (Market.us) daté du 9 janvier 2024, le marché de la production d'hydrogène a atteint 177 milliards de dollars en 2023 et devrait connaître une croissance significative, pour atteindre 489.2 milliards de dollars d'ici 2033. De 2024 à 2033, ce marché devrait enregistrer le taux de croissance annuel composé (TCAC) le plus élevé, à 10.7 %. Le terme « marché de l'hydrogène » désigne ici les industries impliquées dans la production, le stockage et la distribution de l'hydrogène.

L'hydrogène présente un fort potentiel dans le domaine des énergies propres, notamment comme combustible pour les piles à combustible et comme matière première dans les procédés industriels, permettant ainsi de réduire les émissions de gaz à effet de serre. De ce fait, la demande en hydrogène est en constante augmentation. Parmi les différentes technologies de piles à combustible, les piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) combinent une température de fonctionnement relativement basse, une architecture compacte et une densité de puissance élevée, ce qui les rend adaptées à de nombreuses applications de mobilité et de production d'énergie décentralisée. Nous présenterons ensuite les applications pratiques des PEMFC dans les véhicules à pile à combustible, le transport ferroviaire et la production d'énergie marine.

Pourquoi les piles à combustible PEM conviennent à certaines applications

Les piles à combustible PEM ne conviennent pas à tous les scénarios d'électrification. Leurs applications les plus performantes sont généralement celles où la densité de puissance, la plage de fonctionnement, la rapidité de recharge énergétique, la compacité du système et les faibles émissions locales sont des critères importants.

Comparées aux systèmes de production d'énergie à combustion, les piles à combustible PEMFC génèrent de l'électricité par voie électrochimique et peuvent fonctionner avec de faibles émissions locales lorsqu'elles sont alimentées en hydrogène. Selon le département de l'Énergie des États-Unis, les piles à combustible PEM fonctionnent à des températures relativement basses et démarrent rapidement , ce qui explique en partie leur aptitude à alimenter des véhicules tels que les voitures, les bus et les poids lourds.

L'intérêt des piles à combustible PEM devient plus évident lorsqu'on prend en compte les exigences des applications plutôt que de se concentrer uniquement sur leur rendement.

Cela signifie que le choix d'une pile à combustible PEMFC doit commencer par l'analyse du cycle de fonctionnement. Un véhicule de tourisme, un poids lourd, un navire et un système d'alimentation de secours peuvent tous utiliser des piles à combustible PEM, mais leurs exigences en matière de pile sont très différentes.

Ces différences influent également sur la conception des composants. Les systèmes automobiles privilégient généralement des plaques bipolaires de pile à combustible fines et légères , un format compact, une réponse transitoire rapide et une faible résistance électrique. Les systèmes stationnaires et pour applications lourdes peuvent quant à eux privilégier la durabilité à long terme, la résistance à la corrosion, une compression stable et des performances constantes sur de longues périodes de fonctionnement.

C’est pourquoi les applications des piles à combustible PEM doivent être évaluées comme des cas d’utilisation en ingénierie plutôt que comme une simple liste de marchés.

Véhicules électriques à pile à combustible (FCEV)

Dès 1966, General Motors développait le premier véhicule routier à pile à combustible au monde, baptisé Chevrolet Electrovan. Ce véhicule utilisait une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) comme source d'énergie, avec une puissance de 5 kW, une autonomie de 193 km et une vitesse maximale de 113 km/h.

Par la suite, des pays comme les États-Unis, l'Union européenne, le Japon, la Corée du Sud et la Chine ont investi des sommes considérables et d'importantes ressources humaines dans la recherche sur les véhicules à pile à combustible. Des entreprises telles que General Motors, Ford, Toyota, Honda et Mercedes-Benz ont successivement développé des véhicules à pile à combustible. Par exemple :

General Motors (GM) : a développé un véhicule à pile à combustible basé sur la plateforme du SUV Equinox, qui a fait ses débuts en 2007 et a été principalement utilisé pour des projets de démonstration et d'essai.

Ford : A développé un véhicule à pile à combustible basé sur la Ford Focus, qui a été testé et utilisé dans des projets de démonstration au début des années 2000.

Toyota : A lancé en 2014 le premier véhicule à pile à combustible produit en série et commercialisé au monde. La Mirai de deuxième génération, sortie en 2021, offre des performances supérieures et une autonomie accrue.

Honda a lancé un véhicule à pile à combustible en 2008, devenant ainsi le premier à être proposé aux particuliers en location. Le modèle de troisième génération, sorti en 2015, a bénéficié d'améliorations en termes d'autonomie et de technologie.

Les principaux constructeurs automobiles ont réalisé des progrès significatifs dans le domaine des véhicules à pile à combustible, en lançant une série de modèles innovants. Ces modèles illustrent non seulement l'évolution de la technologie des piles à combustible, mais jettent également les bases de sa commercialisation.

Pour mieux comprendre l'état actuel de ce secteur, nous pouvons examiner les données les plus récentes. Fin 2023, le nombre total de véhicules à pile à combustible a dépassé les 82 000, soit une augmentation de 21.4 % par rapport à l'année précédente. La Corée du Sud reste en tête avec un total cumulé de 34 000 véhicules. La Chine se classe deuxième au niveau mondial, avec plus de 18 000 véhicules, devançant ainsi les États-Unis. Rien qu'en 2023, la Chine a enregistré près de 6 000 véhicules supplémentaires, soit la plus forte augmentation au monde. Le Japon et l'Allemagne comptent respectivement plus de 8 500 et 2 900 véhicules à pile à combustible. Concernant les infrastructures essentielles, la construction de stations de ravitaillement en hydrogène dans les principaux pays et régions du monde a progressé de manière constante. Fin 2023, on recensait 930 stations de ravitaillement en hydrogène opérationnelles dans le monde, soit une augmentation de 12.2 % par rapport à l'année précédente. L’Europe et l’Amérique du Nord comptaient respectivement 188 et 65 stations, tandis que l’Asie du Sud-Est en comptait 650. (Ces données proviennent de statistiques officielles publiées par différents pays ; toute correction est la bienvenue.)

Les données indiquent que le déploiement des véhicules à pile à combustible est étroitement lié à la disponibilité des infrastructures de ravitaillement en hydrogène. Pour les lecteurs qui évaluent la chaîne énergétique complète d'un véhicule, notre guide sur le ravitaillement des voitures à hydrogène et le fonctionnement des piles à combustible explique la relation entre le stockage embarqué de l'hydrogène, le ravitaillement et la production d'électricité par la pile à combustible.

Transport ferroviaire à pile à combustible à hydrogène

Outre les véhicules à pile à combustible, l'application de la technologie des piles à combustible à hydrogène au transport ferroviaire a également connu des progrès significatifs. En 2017, Alstom, en France, a présenté un train à pile à combustible à hydrogène atteignant une vitesse de 140 km/h et une autonomie de 600 à 800 km. De mi-juin à fin septembre 2023, Alstom a transporté plus de 10 000 passagers, effectué plus de 130 trajets et parcouru 10 660 kilomètres dans le cadre d'un projet pilote. Ce projet, utilisant des trains à hydrogène, a permis d'économiser environ 8 400 litres de diesel et d'éviter l'émission de 22 tonnes de CO₂ pendant la période d'essai.

En juillet 2024, le tramway intelligent à hydrogène développé par l'Institut CRRC de Zhuzhou, en Chine, est sorti des chaînes de production de Yibin, dans le Sichuan, et sa mise en service est prévue pour août. Ce tramway est le premier système de transport ferroviaire écologique au monde développé indépendamment, combinant les avantages des transports ferroviaire et routier. Il utilise une technologie innovante de guidage autonome et de suivi des rails, et se caractérise par un faible investissement en infrastructure, des cycles de construction courts, une grande flexibilité d'horaires, de faibles émissions de carbone, un impact environnemental réduit et un confort d'utilisation optimal. Côté efficacité opérationnelle, il est équipé d'un système de stockage d'hydrogène de 35 MPa et d'une pile à combustible haute puissance, offrant un rendement énergétique élevé et un ravitaillement rapide en hydrogène, ce qui améliore considérablement l'efficacité du véhicule. Son autonomie est également importante : un seul ravitaillement en hydrogène lui permet de parcourir plus de 200 kilomètres, répondant ainsi aux besoins de transport public urbain sur de longues distances. Ce tramway constitue une solution innovante pour les transports ferroviaires de moyenne et faible capacité, offrant un équilibre optimal entre capacité et coût.

Par ailleurs, l'utilisation de la technologie des piles à combustible à hydrogène dans les tramways est de plus en plus répandue aux États-Unis, au Japon, en Espagne et en France. En 2022, le marché mondial des trains à pile à combustible à hydrogène était évalué à 1.45098 milliard de dollars. Les experts prévoient que d'ici 2030, ce marché devrait dépasser les 3.4 milliards de dollars, avec un taux de croissance annuel composé de 11.5 %.

Énergie des navires à pile à combustible

Face aux pressions environnementales croissantes et à la perspective d'un pic d'émissions de carbone et de la neutralité carbone, l'industrie navale accélère ses recherches sur les carburants alternatifs pour les navires. Selon un récent livre blanc de l'American Bureau of Shipping (ABS), le gaz naturel liquéfié (GNL), carburant bas carbone relativement mature, est promu et utilisé dans le secteur maritime. L'industrie maritime évalue plusieurs carburants alternatifs et technologies de propulsion, notamment le méthanol, l'ammoniac, l'hydrogène, les batteries et les piles à combustible. Pour les navires à hydrogène en particulier, le stockage sûr de l'hydrogène, l'intégration du système, la gestion des risques et l'homologation réglementaire constituent des enjeux d'ingénierie majeurs.

Des pays et régions comme l'Europe, les États-Unis, le Japon et la Corée du Sud ont été parmi les premiers à s'investir dans la recherche et la conception de piles à combustible marines. Ils sont aujourd'hui à la pointe des applications techniques et de la promotion de cette technologie, avec de nombreux projets d'application et de démonstration portant sur des systèmes de propulsion marine à pile à combustible.

En 2008, l'Alsterwasser, un navire à passagers propulsé par une pile à combustible à membrane échangeuse de protons de 48 kW, lancé par le projet allemand Zemships, a officiellement commencé ses opérations sur le fleuve Alster, devenant ainsi le premier navire à passagers au monde à propulsion électrique par pile à combustible en service.

Le projet de démonstration de système marin à pile à combustible « FellowSHIP », financé par la Norvège, a présenté en 2009 le Viking Lady, un navire de ravitaillement offshore équipé d'un système d'alimentation à pile à combustible de 320 kW. Ce navire, développé en collaboration avec plusieurs sociétés de classification et entreprises européennes, a été le premier navire opérationnel au monde à utiliser la technologie des piles à combustible pour la production d'énergie à bord.

En 2017, l'Energy Observer, conçu en France, a été lancé et a entamé son tour du monde. Ce navire est alimenté par une pile à combustible utilisant de l'hydrogène produit par un système d'électrolyse alimenté par l'énergie solaire et éolienne, et stocké dans des réservoirs. Ce système alimente le navire par temps nuageux, la nuit et lors des premières étapes des longs voyages, faisant de l'Energy Observer le premier navire au monde capable de produire son propre hydrogène.

En 2018, la société canadienne Ballard Power Systems a annoncé le développement de systèmes de piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) d'une puissance de plusieurs mégawatts (MW) destinés aux applications marines, notamment aux navires de croisière. L'objectif est de fournir de l'énergie lorsque les navires sont à quai ou de les utiliser comme système de propulsion principal en mer.

En 2024, Advent Technologies et Siemens Energy ont signé un accord de développement conjoint (ADC) visant à intégrer le module à membrane échangeuse de protons haute température (HT-PEM) de 50 kW d'Advent, basé sur la technologie MEA (assemblage membrane-électrode à paires d'ions), aux solutions d'électrification et d'automatisation maritimes hybrides et électriques de Siemens Energy. L'objectif est de développer une solution intégrée de 500 kW pour les applications maritimes, allant des yachts à moteur et méga-yachts aux ferries et porte-conteneurs/navires commerciaux.

Piles à combustible PEM vs batteries : quelles applications correspondent à chaque technologie ?

Les piles à combustible PEM et les batteries sont toutes deux des technologies de production d'énergie électrochimique, mais elles répondent à des problématiques différentes en matière de stockage et de fonctionnement de l'énergie. La question n'est donc pas de savoir si les piles à combustible sont systématiquement supérieures aux batteries, mais plutôt quelle technologie correspond le mieux au cycle de service d'une application spécifique.

Les systèmes de batteries stockent directement l'énergie électrique et sont très efficaces là où l'infrastructure de recharge est disponible, l'autonomie est modérée et les véhicules ou équipements peuvent rester connectés à un chargeur pendant des périodes suffisantes.

Les systèmes de piles à combustible PEM produisent de l'électricité en continu à partir de l'hydrogène stocké à bord, grâce à des réactions électrochimiques au sein de la pile. Comprendre le fonctionnement des piles à combustible PEM permet d'expliquer pourquoi elles se comportent différemment des systèmes à batteries en termes de stockage d'énergie, de ravitaillement, d'autonomie et d'architecture système.

Pour les véhicules de tourisme utilisés principalement pour de courts trajets quotidiens, les systèmes électriques à batterie peuvent offrir une solution énergétique plus simple là où la recharge est facilement accessible.

Les piles à combustible PEM deviennent plus intéressantes lorsque les exigences de fonctionnement évoluent vers une plus grande autonomie, une utilisation quotidienne élevée, des fenêtres de ravitaillement courtes ou des applications où l'ajout d'une capacité de batterie supplémentaire augmente considérablement la masse du système ou les exigences d'intégration.

C’est l’une des raisons pour lesquelles le développement des piles à combustible est souvent abordé en relation avec le transport routier lourd, le transport ferroviaire, les systèmes maritimes et d’autres applications aux calendriers d’exploitation exigeants.

Des architectures hybrides sont également possibles. Une pile à combustible PEM peut fournir une énergie continue tandis qu'une batterie prend en charge les pics de consommation, le freinage régénératif ou les variations de charge de courte durée. Le choix de l'architecture dépend du profil de fonctionnement plutôt que d'une valeur unique de rendement ou de densité énergétique.

Le choix technologique pratique doit donc prendre en compte le système dans son ensemble : source d’énergie, infrastructure, heures de fonctionnement, temps de ravitaillement ou de charge, conditionnement, durée de vie, coût et maintenance.

Quels sont les facteurs qui limitent le déploiement des piles à combustible PEM ?

La maîtrise technique de l'utilisation d'une pile à combustible PEM ne garantit pas qu'elle soit la solution optimale pour une application donnée. Son déploiement commercial dépend également de la disponibilité de l'hydrogène, des infrastructures, du coût du système, de sa durabilité et des conditions de fonctionnement.

Infrastructure à l'hydrogène

Les piles à combustible PEM nécessitent un approvisionnement fiable en hydrogène. Pour les applications de mobilité, cela implique également l'accès à une infrastructure de ravitaillement adaptée.

Un véhicule à pile à combustible ou un système ferroviaire techniquement performant présente une utilité pratique limitée si l'hydrogène ne peut être fourni au lieu, à la pression, au volume et au coût requis. L'infrastructure doit donc être évaluée conjointement avec le système de pile à combustible, et non comme un problème distinct.

Coût du système

La pile à combustible ne représente qu'une partie du système total.

Un système PEMFC complet peut également nécessiter :

• stockage de l'hydrogène,
• alimentation en air,
• humidification,
• gestion thermique,
• pompes et vannes,
• capteurs et commandes,
• électronique de puissance.

L’analyse économique doit donc être effectuée au niveau du système plutôt qu’en comparant uniquement le coût de la pile.

Durabilité et cycle de service

Les différentes applications imposent des exigences très différentes en matière de durabilité des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC).

Les véhicules de tourisme subissent de fréquentes variations de charge et des arrêts et redémarrages fréquents. Le transport de charges lourdes peut nécessiter de longues périodes à charge élevée. Les applications marines et stationnaires peuvent fonctionner pendant de longues périodes avec moins d'arrêts.

Ces profils de fonctionnement influent sur la dégradation du catalyseur, la durabilité de la membrane, les performances des plaques bipolaires , l'étanchéité, les cycles thermiques et la gestion de l'eau. Les plaques bipolaires agissant simultanément sur la conduction électrique, la distribution des gaz, le transfert de chaleur, la gestion de l'eau et la compression de la pile, leur conception a un impact direct sur la fiabilité à long terme de cette dernière.

Conditions environnementales

La température, l'humidité, les vibrations, les contaminants et les conditions d'exposition peuvent également déterminer si une architecture PEMFC est viable.

Les applications en climat froid, par exemple, nécessitent des stratégies spécifiques pour l'évacuation de l'eau, la prévention du gel et le démarrage à froid. En milieu marin, l'accent peut être davantage mis sur la protection contre la corrosion et la sécurité du système.

Le choix de l'application doit donc prendre en compte à la fois les avantages des piles à combustible PEM et l'environnement dans lequel la pile doit fonctionner.

Conclusion

Les sections précédentes détaillent les applications pratiques des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dans les véhicules, le transport ferroviaire, les systèmes maritimes et d'autres contextes exigeants en énergie. À mesure que les applications des PEMFC se développent, les concepteurs de piles doivent trouver un équilibre entre la densité de puissance, la durabilité, la distribution du flux, la résistance à la corrosion, la gestion thermique et le coût de fabrication.

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