Que sont les piles à combustible et à hydrogène?
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Piles à combustible et à hydrogène

Les piles à combustible produisent de l'électricité grâce à la combinaison électrochimique de l'hydrogène et de l'oxygène. Au cours de leur cycle de vie, elles ne produisent aucune émission ou très peu, selon la source de l'hydrogène. Les piles à combustible sont des appareils de conversion de l'énergie très efficaces qui fonctionnent à l'hydrogène.

Au début, les piles à combustible seront probablement utilisées dans des appareils électriques portatifs et fixes, puis dans le secteur du transport. Pourtant, la plupart des fabricants automobiles travaillent actuellement à la création de prototypes prometteurs de véhicules à piles à combustible. En raison de la gamme des carburants qui peuvent être convertis en hydrogène, les piles à combustible représentent une technologie énergétique viable qui comporte d'importants avantages sur le plan de l'environnement, de l'efficacité énergétique, de l'offre et de la rentabilité. Mais il existe encore de nombreux obstacles à leur utilisation dans les véhicules, notamment l'absence d'infrastructure d'alimentation en hydrogène, le coût en capital élevé des technologies requises pour la production des piles à combustible et de l'hydrogène, ainsi que les défis associés au stockage de l'hydrogène.

La technologie

En principe, les piles à combustible ressemblent à des batteries. La principale différence entre les deux est que les batteries emmagasinent de l'énergie électrique, alors que les piles à combustible produisent de l'électricité tant qu'elles sont alimentées par un carburant externe. Leur rendement n'est donc pas diminué en raison de périodes de charge longues et peu pratiques.

Les piles à combustible convertissent l'énergie chimique en énergie électrique en combinant à l'oxygène qui provient de l'air de l'hydrogène ou des carburants qui contiennent de l'hydrogène. Si le carburant utilisé est de l'hydrogène pur, les seuls produits obtenus sont l'électricité, la chaleur et l'eau. Les piles à combustible à oxyde solide peuvent être directement alimentées par des carburants offerts à grande échelle, notamment le gaz naturel, le gaz de pétrole liquéfié, le diesel et le biogaz. Lorsque le carburant est du gaz naturel, les émissions de dioxyde de carbone (CO₂) sont réduites de 60 p. 100 comparativement à celles qui sont issues de la production d'électricité classique, et les émissions d'oxydes d'azote (NO_x) et d'oxydes de souffre (SO_x) sont pratiquement inexistantes.

Le processus est simple : dans les piles à combustible, le courant électrique circule de l'anode vers la cathode. L'électrolyte placé entre l'anode et la cathode joue le rôle d'« entrée unidirectionnelle » en laissant passer les protons mais en repoussant les électrons vers le circuit externe, ce qui produit de l'énergie électrique. Les réactions électrochimiques varient en fonction de l'électrolyte utilisé, mais la réaction globale donne le même résultat dans tous les cas : l'hydrogène et l'oxygène se combinent pour former de l'eau et libérer de l'énergie.

Un grand nombre de scientifiques croient que l'hydrogène pur, l'élément le plus répandu sur la terre, sera le carburant de l'avenir. L'hydrogène peut être extrait de milliers de composés, notamment le gaz naturel, l'eau, le sucre et de nombreux produits pétroliers. Comme il faut de l'énergie pour extraire l'hydrogène, celui-ci est considéré davantage comme un support d'énergie qu'une source d'énergie.

Dans le secteur du transport et aux fins de nombreuses autres applications, la technologie des piles à combustible offre de nouvelles perspectives quant à l'utilisation de l'hydrogène. Partout dans le monde, et notamment au Canada, le secteur public et le secteur privé investissent énormément dans la recherche – développement sur les piles à combustible.

Le développement de la technologie

La première pile à hydrogène a été découverte en 1839 par Sir William Grove (du Royaume-Uni). Les piles à combustible ont commencé à être utilisées à la fin des années 1950, lorsque le scientifique britannique Francis Thomas Bacon a démontré le fonctionnement d'une série de piles à combustible alcalines et en a concédé par la suite la licence à Pratt & Whitney. Au cours des années 1960, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) et les forces américaines ont commencé à élaborer des piles à combustible pour les engins spatiaux et les établissements militaires éloignés. Dans tous les engins spatiaux habités, on utilise maintenant des piles à combustible pour produire de l'électricité, parce que les batteries sont trop lourdes et encombrantes.

Au Canada, le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), a lancé en 1982, au nom de Ressources naturelles Canada (RNCan), le Programme sur les piles à combustible du CNRC. Dans le cadre de ce programme, il a acheté et installé une pile à acide phosphorique d'une capacité de 40 kW, qui a été en service de 1982 à 1995. Il a entrepris un deuxième projet qui consistait à attribuer un contrat à la société Ballard Power Systems Inc., installée à Burnaby (Colombie-Britannique), en vue de créer une pile à membrane électrolyte polymérique (PEMFC). Toujours dans les années 1980, le ministère de la Défense nationale (MDN) a réalisé des travaux sur les piles à combustible au Centre de recherches pour la défense d'Ottawa, et l'Université de Toronto a créé la pile à combustible alcaline pour le transport.

Au cours des deux dernières décennies, le secteur privé a davantage participé à la recherche et, avec l'aide constante du gouvernement, il a fait du Canada un chef de file de l'élaboration et de la commercialisation des piles à combustible et des produits connexes.

Le premier véhicule au monde qui a servi à démontrer la technologie des piles à combustible était un autobus de transport en commun d'une longueur de 10 mètres, qui a été construit par la société Ballard en 1993. Grâce à l'aide financière fournie par RNCan, le MDN, Industrie Canada et le gouvernement de la Colombie-Britannique, la société Ballard est devenue le chef de file mondial reconnu de l'élaboration des piles à combustible à membrane échangeuse de protons, qui ne produisent aucune émission et qui peuvent être utilisées pour le transport et à d'autres fins.

En 1998, la société Ballard s'est associée aux New Flyer Industries Ltd. de Winnipeg (Manitoba), en vue de construire un autobus électrique pleine grandeur de 12 mètres, alimenté par une pile à hydrogène. De 1999 à 2001, des sociétés de transport ont mis sur la route six de ces autobus à Vancouver (Colombie-Britannique) et à Chicago (Illinois). Ces six autobus, dans lesquels le carburant est stocké dans des bouteilles d'hydrogène comprimé et qui ont une autonomie d'environ 400 km entre les pleins, ont parcouru plus de 118 000 kilomètres et transporté plus de 200 000 passagers au cours de cette expérience réussie. Les connaissances et l'expérience acquises dans le cadre du projet ont aidé la société Ballard à créer le moteur de la prochaine génération, qui est deux fois plus léger que le précédent.