Pile à combustible hydrogène : comment ça marche ?

Une voiture qui n’émet que de la vapeur d’eau, affiche une autonomie de 600 kilomètres et fonctionne sans aucun bruit ? C’est la promesse des véhicules à hydrogène. Pourtant, ce mode de propulsion tarde à se répandre... Pour quelles raisons ? RTA fait la lumière sur la technologie de la pile à combustible hydrogène dans le monde automobile.

Décryptage de la pile à combustible

La pile à combustible (PAC) est un générateur électrochimique : elle produit de l’énergie grâce à 2 réactions chimiques, l’oxydation et la réduction (oxydo-réduction).

Comment fonctionne une pile à combustible ?

Le cœur d’une pile à combustible se compose de 3 éléments :

• une anode oxydante : c’est l’organe qui émet des électrons ;
• une cathode réductrice : c’est l’organe collecteur des électrons ;
• un électrolyte, qui sépare l’anode et la cathode.

Ensemble, ils produisent l’électricité au cours de 3 phases successives :

1. L’arrivée du combustible : depuis un réservoir, l’anode reçoit de l’hydrogène et la cathode reçoit du dioxygène ;
2. L’oxydation : l'anode oxyde l’hydrogène, ce qui libère des électrons, à l’origine de l’énergie électrique ;
3. La réduction : les électrons traversent l’électrolyte pour rejoindre la cathode remplie de dioxygène. Au contact de ce dioxygène (O₂), les électrons d’hydrogène (H) produisent de la chaleur et de l’eau (H₂O).

Les avantages de la pile à combustible hydrogène 

La pile à combustible présente de nombreux arguments en matière d’autonomie, de confort de fonctionnement et d’écologie. Trois éléments au cœur de l’avenir du secteur automobile.

Une autonomie qui inspire la confiance

L’autonomie constitue l’un des principaux avantages des piles à hydrogène. Avec un plein de seulement de 6 kg d’hydrogène, une voiture peut parcourir jusqu’à 600 kilomètres. Soit à peine moins que les véhicules électriques les plus performants comme Fisker Ocean (707 km), Lucid Air (725 km) et Mercedes EQS (783 km). 

Mais face à ces modèles, la pile à hydrogène dispose d’un autre atout dans son jeu : le temps de recharge. Pour une Mercedes EQS ou une Fisker Ocean, comptez 2 heures pour une recharge complète (de 20 à 100 %) avec une puissance de 50 kW. Et pour un véhicule à hydrogène ? Le remplissage du réservoir ne dure que 5 à 10 minutes (selon la température extérieure), c’est-à-dire à peine plus qu’un plein d’essence.

Un fonctionnement bien plus silencieux

Comme n’importe quelle pile classique, la pile à hydrogène, même de taille importante, génère très peu de bruit. Tout le contraire d’autres générateurs électriques comme un groupe électrogène ! À titre de comparaison, un poids-lourd à pile hydrogène roulant à 20 km/h produit 49 dB(A)/m, soit l’équivalent d’une voiture de tourisme thermique.

Une pile verte

De la chaleur et de l’eau : c’est tout ce que dégagent les piles à hydrogène. Un argument de poids face aux moteurs thermiques qui rejettent des gaz à effet de serre… et seront d’ailleurs interdits à la vente à partir de 2035 dans l’Union européenne.

Quels inconvénients pour la pile à combustible hydrogène ?

Plusieurs obstacles liés à la pile à combustible freinent encore le développement des véhicules hydrogène.

Un prix souvent trop élevé

72 500 € pour la Toyota Mirai, 80 500 € pour la Hyundai Nexo, plus de 150 000 € pour la BMW iX5 Hydrogen… Les constructeurs peinent encore à produire des véhicules concurrentiels. Ces prix élevés s’expliquent par plusieurs facteurs :

• des matériaux chers (du platine pour les électrodes, des composants fluorés, etc.) ;
• des volumes de production trop faibles qui ne permettent pas (encore) de réaliser des économies d’échelle.

À cela s’ajoutent les coûts de la production, de la compression, du transport et de la distribution de l’hydrogène, également très élevés (à la pompe, 1 kg d’hydrogène coûte environ 12€).

Seule une industrialisation massive provoquerait une baisse mécanique des prix et attirerait de nouveaux conducteurs. Faute de quoi la voiture hydrogène restera au stade du prototype.

Une rareté des stations-services

Conséquence directe de ce développement poussif : les zones de recharges hydrogène peinent à sortir de terre sur le territoire français. Le coût élevé de ces stations est l’une des raisons principales : entre 1 et 2 millions d’euros pour une station hydrogène, et 43 000 euros pour une borne électrique.

Un simple regard sur une carte des stations-services suffit pour constater que la priorité a d’abord porté sur les véhicules électriques : 100 000 bornes électriques en 2023 contre moins de 100 pour les stations hydrogène.  

Mais des projets se dessinent à l’horizon. C’est le cas notamment de Zero Emission Valley (ZEV), partenariat public-privé porté par la région Auvergne-Rhône-Alpes. Il prévoit l’installation de 20 stations opérationnelles d’ici à la fin 2024. D’ici 2030, la France espère posséder 1 000 stations de ravitaillement. Selon certains experts, la propulsion hydrogène pourrait se dédier aux usages intensifs (véhicules commerciaux, taxis, poids lourds…) et l’électricité aux trajets plus courts du quotidien (avec une recharge chaque nuit).

Une durée de vie perfectible

La pile à combustible hydrogène peine aussi à se faire une place sur le marché automobile en raison de sa trop faible longévité estimée à 5 000 heures, soit l’équivalent de 160 000 kilomètres. Au-delà, il faut la remplacer, ce qui entraîne d’importantes dépenses.

La question environnementale de l’hydrogène

Bien qu’elle soit « zéro émission », la pile à combustible utilise encore souvent de l’hydrogène fabriqué à 95 % à partir des combustibles fossiles (gaz naturel ou pétrole), ce qui entraîne une émission massive de CO₂.

Cependant, des filières de production d’hydrogène « vert » voient progressivement le jour. C’est le cas du projet GRHYD (gestion des réseaux par l’injection d’hydrogène pour décarboner les énergies) qui s’appuie sur 2 sources d’énergies renouvelables pour produire de l’hydrogène : l’éolien et le solaire.

L’hydrogène, et demain ?

Pourquoi le principe de la pile, découvert en 1839, n’a-t-il pas connu un essor plus rapide ? Le dispositif a fait ses preuves avec les fusées du programme Apollo, au cœur des sous-marins ou encore dans des systèmes de cogénération au Japon ou en Europe. Mais pas encore dans le milieu automobile... Pourtant, l’hydrogène se montre très séduisant, notamment en raison de l’autonomie de 600 km et de l’impact écologique nul (à condition d’avoir recours à de l’hydrogène vert) des véhicules qui utilisent cette propulsion.

Ce retard s’explique par 2 facteurs principaux : le coût des matériaux et des efforts de développement concentrés sur d’autres générateurs électriques. Ce qui limite les ventes et la construction de stations de recharge, 2 éléments inextricablement liés.

Alors quel avenir pour l’hydrogène dans les véhicules ? La France a bien compris l’enjeu de l’hydrogène vert et entend devenir le champion mondial de l’hydrogène d’ici 2030.

Pour cela, le gouvernement a lancé une stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné, mobilisant au total près de 8,9 milliards d’euros. Un signal positif envoyé aux constructeurs automobiles qui voient en l’hydrogène un nouveau marché.