Chacun garde ne mémoire ses premières expériences de chimie au lycée et en particulier, l'electrolyse de l'eau : en faisant passer un courant dans de l'eau à l'aide de deux electrodes, on obtient de l'oxygène et de l'hydrogène. La réaction inverse permet d'obtenir de l'eau et de l'electricité. C'est sur ce principe que fonctionne une pile à combustible.
Dans le cas d'une pile hydrogène-oxygène, on a oxydation de l'hydrogène à l'anode selon:
H2 -----> 2 H+ + 2 e- électrolyte acide
H2 + 2 OH- -----> 2 H2O + 2 e- électrolyte basique
Il s'agit d'une réaction catalysée. L'atome d'hydrogène réagit en libérant deux électrons, qui circulent dans le circuit électrique qui relie l'anode à la cathode.
A la cathode, on assiste à la réduction cathodique (également catalysée) de l'oxygène selon:
1/2 O2 + 2 H+ + 2e- -----> H2O électrolyte acide
1/2 O2 + H2O + 2e- -----> 2 OH- électrolyte basique
Le bilan donne donc:
H2 + 1/2 O2 -----> H2O + chaleur
Cette réaction est exothermique: à 25°C, l'enthalpie libre de la réaction est de -237 ou -229 kJ/mol selon que l'eau formée est liquide ou gazeuse. Ceci correspond à des tensions théoriques de 1,23 et 1,18 V. Cette tension dépend aussi de la température.
Une pile à combustible permet donc de convertir directement de l'énergie chimique en énergie électrique. A la différence des moyens traditionnels de production de l'énergie, son rendement ne dépend pas du cycle de Carnot. Par ailleurs, le combustible est fourni en continu à la différence des piles traditionnelles (pile au Zinc). On peut ainsi obtenir du courant de façon continue.
L'un des intérêts de la pile à combustible est que les températures sont d'un plus faible niveau que dans les turbines ou les moteurs à combustion. Ceci permet entre autres d'éviter la formation de NOx. Cependant à ce niveau de température, la plupart des carburants carbonés traditionnels sont trop peu réactifs et seul l'hydrogène convient. Le méthanol peut aussi être utilisé dans les piles directes à méthanol, mais leurs performances restent pour le moment inférieures à celles des piles à hydrogène. Pour utiliser des combustibles type méthane ou autres alcools, il faut des températures de fonctionnement bien plus élevées: 800 à 1000°C. La réalisation de piles fonctionnant à de telles températures est problématique: on préfère donc utiliser de l'hydrogène.
Une cellule élémentaire est constituée de 3 éléments:
deux électrodes,
un électrolyte
Les deux électrodes sont séparées par l'électrolyte. A l'anode, on amène le combustible (le plus souvent de l'hydrogène, parfois du méthanol). La cathode est alimentée en oxygène (ou plus simplement en air, enrichi ou non en oxygène).
On distingue deux applications des piles dans le domaine de l'automobile: la propulsion du véhicule et l'alimentation en électricité des appareils de bord (climatisation, appareils électroniques, confort), avec ce qu'on appelle une APU (Auxiliairy Power unit).
Le carburant
L'hydrogène est par définition le meilleur pour alimenter la pile à combustible: pas d'émissions de CO2 et de meilleures performances pour la pile. Pour le moment, il est surtout stocké soit sous forme gazeuse (haute pression: de 300 à 700 bars) ou liquide (à - 253°C). Mais ces formes de stockage ne sont pas totalement satisfaisantes en termes de densité gravimétrique et volumétrique. D'autres technologies sont à l'étude: les hydrures métalliques, le borhydrure de sodium (Millenium Cell), les nanotubes... dont on espère de meilleurs résultats en termes de volume, poids, sécurité et dépense énergétique; elles sont cependant loin d'être mûres.
Une autre possibilité consiste à utiliser directement l'hydrogène dans un moteur thermique.
L'utilisation de l'hydrogène nécessite dans tous les cas la mise en place de l'infrastructure de production, de transport et de distribution avec par exemple des stations service (où l'hydrogène pourrait être obtenu par reformage du gaz naturel). Mais si l'hydrogène devait être utilisé, on se retrouverait face au problème de l'oeuf et de la poule: qui doit être introduit en premier: les véhicule à pile ou l'infrastructure nécessaire?
Utiliser un carburant intermédiaire (essence, méthanol, éthanol...) dont on obtiendrait de l'hydrogène par reformage à l'intérieur du véhicule est une piste aussi envisagée. Cependant, elle pose de nombreux problèmes: si le carburant utilisé ne dispose pas d'une infrastructure suffisante, il est peu probable que les industries pétrolières se lancent dans la mise en place d'une infrastructure à durée de vie limitée - si on considère que l'hydrogène s'imposera à terme. De plus, les techniques de reformage ne sont pas totalement mûres: il s'agit de mettre une petite usine à gaz dans la voiture. On a également des contraintes de place, de volume, de temps de réaction du système. Si les voitures à PAC avec des carburants autres que l'hydrogène ont connu un certain succès jusqu'à 2000-2001, elles se font très rares depuis, preuve que cette piste semble progressivement abandonnée.
Les avantages des véhicules à pile à combustibleLes véhicules fonctionnant à l'hydrogène ne rejettent que de l'eau; ce sont des véhicules "Zero Emission" (ZEV). Néanmoins on ne peut considérer la voiture seule, il faut aussi considérer la fabrication du carburant. On distingue ainsi les émissions du puits au réservoir (WTT) et celles du réservoir à la roue (TTW). Pour une voiture à l'hydrogène, les émissions TTW sont presques nulles.
En revanche, ceux fonctionnant avec un reformeur devraient avoir des émissions de CO2, particules, NOx inférieures à celles des véhicules traditionnels, mais non nulles.
Cependant, quand on calcule ces émissions sur un bilan complet avec tous les étapes du "puits à la roue" (WTW), on obtient un large spectre où les véhicules à hydrogène ne sont pas toujours gagnants!! Tous ces bilans sont à prendre avec une extrême précaution car les calculs faits dépendent énormément des chaînes de production choisies, c'est à dire comment le carburant est produit.
Les premiers véhicules à hydrogène ne font plus partie de la science fiction , en témoigne cette première station à hydrogène :
et surtout l'apparition de la
La BMW Hydrogène 7 
BMW est le premier constructeur automobile au monde à présenter un véhicule propulsé par hydrogène ayant achevé le processus de développement en vue de la mise en série en présentant la BMW Hydrogen 7 animée par un moteur thermique à hydrogène. BMW travaillait sur l'hydrogène depuis 1978 et BMW a été le premier constructeur au monde à présenter, dans le cadre de l’Expo 2000 à Hanovre, une flotte de véhicules fonctionnant à l’hydrogène.!
BMW avait naguère réalisé une maquette de Mini à hydrogène, mais le progrès vient habituellement par le haut, et pour la série, c'est avec raison sur la base d'une 760 Li que BMW est parti. Encore que, précisons-le de suite, il s'agit de toute petite série, puisqu'à ce jour, seule la production de 100 autos a été décidée. Première livraison en avril 2007, disponibilité à Munich, Berlin, Tokyo, Los Angeles c'est à dire là où il y a des stations d'hydrogène : pour tout vous dire nulle part en France (!). Ajoutons aussi qu'aucune BMW Hydrogen 7 ne sera vendue, puisque les autos seront uniquement disponibles en leasing, au même tarif qu'une BMW 760 Li avec un contrat d'entretien complet.
La limousine Série 7 est équipée d’un douze cylindres qui délivre 191 kW/260 ch et parcourt le 0 à 100 km/h en 9,5 secondes. La vitesse maximale est bridée à 230 km/h grâce à l’électronique. Tant que l’approvisionnement en hydrogène n’est pas assuré sur tout le territoire, le moteur bivalent équipant la BMW Hydrogen 7 peut aussi fonctionner au supercarburant classique par simple commutation du mode de fonctionnement.C'est ce qu'on appelle la bicarburation. Elle marche aussi bien à l'essence qu'à l'hydrogène. Vraiment aussi bien, courbes de puissance et de couple sont quasiment identiques, ce qui est en soi un exploit, tant la combustion de l'hydrogène est différente de celle de l'essence. Mais cela ne s'est pas fait sans concession. Le V12 de la 760 normale (essence) donne 445 ch, il pourrait faire pareil avec de l'hydrogène, mais la faculté d'être bivalent réduit sa puissance à 260 ch, et son couple à 391 Nm.
Soit la puissance d'un 3 litres, et le couple d'un 4 litres chez BMW. Cest le prix à payer pour la mise en place d'un réseau de stations d'hydrogène. Mais déjà, avec une vitesse de pointe de 230 km/h, et une accélération de 0 à 100 km/h en 9,5 s, on reste au volant d'une voiture qui ne sera pas ridicule sur l'autobahn. Et ce qui est tout aussi important que les performances pour une limousine de haute volée comme celle-ci, c'est l'autonomie. Avec ses 2 réservoirs, la voiture peut parcourir plus de 650 km. 450 km environ à l'essence, avec un réservoir de 74 litres, et plus de 200 km à l'hydrogène, avec son réservoir de 8 kg.
Pour le stocker cet hydrogène, BMW a fait le meilleur choix technique, celui de l'hydrogène liquide. Pour l'automobiliste, c'est la meilleure solution, car l'hydrogène liquide est plus dense que l'hydrogène gazeux. C'est-à-dire que pour un réservoir d'un volume donné, on met plus d'hydrogène liquide que gazeux. Si en lieu et place de son réservoir d'hydrogène liquide, la BMW Hydrogen 7 avait un réservoir d'hydrogène gazeux à la pression de 350 bars, elle contiendrait moins de 3 kg de carburant. Alors tout serait bien, sauf qu'en terme de rendement global, il faut plus d'énergie pour liquéfier l'hydrogène que le comprimer. Mais bien sûr, ceci n'empêche pas de la production d'hydrogène liquide de manière totalement renouvelable, et écologique.
Ce choix de l'hydrogène liquide permet aussi de conserver un coffre normal, et cette série 7 répond à toutes les normes de sécurité en vigueur. Elle a subi les mêmes tests que les autres BMW de production, c'est une auto garantie par l'usine, et il n'y a pas à s'interroger comme on le fait devant certains kits de conversion au gaz. Ceci n'est pas un kit ! C'est une auto conçue avec tout le sérieux attendu d'une BMW. C'est important, car l'hydrogène liquide requiert une isolation parfaite, comme en témoigne le tuyau avec lequel on fait le plein : une vraie trompe d'éléphant !
A bord de l'auto, les passagers ne se rendent jamais compte du carburant qui est utilisé, même le conducteur l'ignorerait s'il n'y avait un voyant pour le lui indiquer. Il est invité à rouler à l'hydrogène, c'est le carburant principal, mais il peut toujours commuter à l'aide d'un bouton sur le volant. Et en cas de panne sèche, la voiture bascule d'elle-même d'un carburant à l'autre. Cette fonctionnalité est d'autant plus nécessaire que la voiture est gourmande. On ne peut pas oublier que cette auto est un superbe engin de très grand luxe, avec un équipement princier, notamment des portières avec fermeture assistée, douce et automatique.
16/17 l/100 km à l'essence, et presque 4 kg/100 km d'hydrogène. C'est donc l'occasion de comparer le rendement d'un moteur thermique avec celui d'une pile à combustible (PAC), puisque le GM Sequel (testé tout récemment) a lui aussi un réservoir de 8 kg d'hydrogène. Et quoique moins perrformant, il parcourt 480 km avec cette même quantité de carburant. Mais n'enterrons pas pour autant le moteur thermique, qui conserve des vertus de fiabilité, de simplicité d'entretien, de coût, et qui n'a surtout pas dit son dernier mot, puisqu'on attend encore le moteur à hydrogène monovalent, et totalement optimisé pour ce carburant.
Mais déjà, ce que signifie, cette BMW Hydrogen 7, c'est la fin des hydrocarbures alternatifs. Le GPL a été tué par le diesel, qui rejette 10/15 % de CO2 en moins que lui, mais il reste le gaz naturel (GNV). Un bon carburant, le GNV, puisqu'il permet à un moteur à allumage commandé d'avoir des émissions de CO2 quasi-égales à celles d'un diesel, soit plus faibles de 20/25 %. Mais au nom de quelle logique, on convertirait une essence pour la faire marcher au GNV et réduire ses émissions de 20/25 %, si pour un peu plus cher — surcoût pour un réservoir plus haute pression, alimentation et gestion moteur plus sophistiquée — on peut désormais avoir une conversion à l'hydrogène qui réduit les émissions de plus de 99 % ?
En effet, la technologie de l’hydrogène offre la possibilité de réduire radicalement les émissions produites par les transports individuels et, surtout le rejet de CO2. En effet, en mode hydrogène, la BMW Hydrogen 7 ne rejette pratiquement que de la vapeur d’eau. Comme il n'y a plus de carbone dans le carburant, les émissions de CO2 devraient même être à zéro, mais avec l'éventuelle goutte d'huile qui peut passer à l'échappement, on se limite à écrire qu'elles sont réduites de plus de 99 %. Il en va de même pour tous les polluants toxiques, y compris les oxydes d'azote (NOx), car BMW est super champion pour optimiser la combustion de ses moteurs, et celle-ci s'effectue en amont des températures où se forment les NOx. C'est donc du quasi-parfait, avec le seul inconvénient de devoir ravitailler tous les 200 km.
