Après l’âge des précurseurs et un relatif abandon, succède une période des premiers développe-ments au début des années 1960, celle-ci étant suivie d’un temps de ralentissement de la recherche. La redécouverte des piles à combustible s’est faite ensuite au début des années 1990.
1.2.1 Les précurseurs
En 1802, Sir Humphry Davy découvre le principe de l’électrochimie en construisant une cellule en carbone fonctionnant à haute température avec de l’acide nitrique comme électrolyte [1].
La première cellule hydrogène-oxygène fut construite en 1839 par Sir William Grove. Il réalise la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau en utilisant dans son expérience un tube en U avec deux
électrodes de platine poreux (figure 1.1) et de l’acide sulfurique comme électrolyte [2]. Cette tech-nique fut mise en sommeil devant le développement plus rapide des générateurs thermiques et des accumulateurs et piles électriques aux environs des années 1860.
FIG. 1.1 – Électrolyse de l’eau
En 1889, L. Mond et C. Langer apportent des perfectionnements dans la pile notamment avec l’introduction de catalyseurs en noir de platine et des électrolytes à base de matrices poreuses en plâtre ou en amiante [2].
Vers 1935, Francis T. Bacon réalise la première pile hydrogène-oxygène, qui aboutira en 1953 à la fabrication d’un premier générateur de 1 kW [3]. Cette réalisation met en évidence les diffé-rents avantages de cette pile : fonctionnement silencieux, rendement très élevé par rapport aux autres générateurs thermiques et possibilité d’utilisation en stationnaire ou en traction.
Le principe physique étant démontré, les recherches et les développements se sont poursuivis dans le monde.
1.2.2 Développement des piles à combustible
Dans les années 1950-1965, des dizaines de laboratoires et d’industriels se lancent dans les piles à combustible.
Les premières applications ont concerné les domaines spatiaux et océanographiques. Il y a eu notamment l’essai d’une pile de 20 kW par l’U.S. Navy capable de fonctionner à une profondeur de
6 km.
La PAC est adoptée par la NASA pour les engins spatiaux dans les années soixante. Les premières applications spectaculaires sont effectuées sur les véhicules spatiaux habités Gemini (1963) et Apollo (1968). Ce type de pile est d’ailleurs encore employé par la navette américaine. Dans le domaine spa-tial, la pile à hydrogène-air a fait la preuve de son efficacité en minimisant grâce à son haut rendement le poids des réactifs transportés.
1.2 Historique des piles à combustible 7 Aux États-Unis, Allis-Chalmers Manufacturing Company ont fabriqué une pile alcaline de 15 kW pour un tracteur électrique. Karl Kordesch, chez Union Carbide, a réalisé une pile alcaline de 6 kW qui, associée à des batteries plomb/acide, alimente une Austin A40 à propulsion électrique. Cette voi-ture, d’une autonomie de 300 km pour 2 kg d’hydrogène embarqué dans des bouteilles sous pression, a fonctionné pendant 3 ans en effectuant plus de 16 000km.
La réussite technologique de ces programmes a encouragé un grand nombre de recherches, prin-cipalement aux États-Unis, mais aussi en Europe, sur des piles utilisant aussi bien l’hydrogène que d’autres combustibles.
Les recherches sur les piles à combustible ont été très importantes en France dans les années 1960-1975. Pendant cette période, plusieurs firmes industrielles mènent des recherches fondamentales et technologiques, aboutissant à la réalisation de prototypes de piles à méthanol et à hydrazine de 1 kW (Alstom) et de piles alcalines (AFC) à hydrogène/air (Électricité de France et Institut français du pétrole).
Les travaux ont porté sur le concept même de la pile, sur les membranes, sur l’amélioration du ren-dement, sur les différents types de piles et le développement des auxiliaires indispensables (pompes, vannes, humidificateurs, compresseurs). Les systèmes obtenus ont donné toute satisfaction pour leurs applications, mais ils utilisent comme seul carburant et comburant de l’hydrogène et de l’oxygène, tous deux très purs.
Les premiers travaux sur l’emploi du méthanol, comme combustible embarqué, avec reformeur, sont lancés à cette période. En 1970, Du Pont met au point la membrane Nafion, qui a permis de relancer les piles à combustible acides. Dans le même temps, les États-Unis ont développé les piles à potasse.
Remarque 1.1 Le très fort développement des recherches sur les piles à combustible dans les années
1970 résulte de la première crise pétrolière de 1973. A ce moment, les premières préoccupations environnementales font leur apparition.
1.2.3 Le ralentissement de la recherche
A la suite du deuxième choc pétrolier de 1979, une étude sur l’évaluation des possibilités tech-niques et économiques du développement de la PAC pour la traction fut mené en France. De très nombreuses incertitudes sur l’avenir des piles sont levées et cette étude a conclu à la non-poursuite des programmes de recherche. La pile reste très coûteuse et sa durée de vie est encore très limitée. La durée de fonctionnement des piles était faible car les électrodes fonctionnant généralement avec un électrolyte liquide ont tendance à se dessécher ou se noyer.
Fin 1981, la plupart des équipes travaillant sur des applications des piles pour la traction chez les constructeurs, équipementiers et dans les laboratoires sont démantelés. Seules deux pays continuent à
travailler sur cette technologie : le Japon sur les utilisations stationnaires et l’Allemagne sur les piles pour sous-marins.
En France, vers le milieu des années 1980, se poursuivent quelques travaux universitaires sur les catalyseurs tandis que le centre national d’études spaciales (C.N.E.S) réfléchit aux applications de cette technologie dans le cadre de la préparation du programme de navette spatiale Hermès.
Ce n’est qu’à partir de l’année 1987 que les piles du type PEM (piles à membrane échangeuse de protons) connaissent un développement spectaculaire avec la création de l’entreprise canadienne Ballard. Les caractéristiques remarquables des piles Ballard ont permis le développement de véhicules électriques alimentés par des PAC à hydrogène/air, notamment le bus Ballard expérimenté en 1991 ainsi que les prototypes de voitures particulières équipés de piles PEM.