Les piles à combustible : l'électricité qui ne rejette que de l'eau
Inventée au XIXe siècle, longtemps délaissée, la pile à combustible a fait ses preuves à bord des capsules Gemini et Apollo avant de rouler dans les rues d'Europe. Portrait d'une technologie qui fabrique du courant et de l'eau.
Une batterie stocke de l'électricité, puis se vide. Une pile à combustible, elle, en produit tant qu'on l'alimente : de l'hydrogène d'un côté, de l'oxygène de l'autre, et il en sort du courant, de la chaleur et de l'eau. Ce générateur sans combustion a une longue histoire, et l'exploration spatiale y occupe une place de choix.
Une idée de 1839
En 1839, le physicien britannique William Grove démontre le principe : en inversant l'électrolyse de l'eau, il fait réagir l'hydrogène et l'oxygène sur des électrodes de platine et obtient un courant. Il décrit en 1843 sa « batterie voltaïque à gaz » dans une revue scientifique. En 1889, Ludwig Mond et Charles Langer tentent une première application pratique, alimentée au gaz de houille. Mais le moteur à combustion interne s'impose, et l'idée reste longtemps une curiosité de laboratoire.
Il faut attendre l'ingénieur britannique Francis Thomas Bacon. Il commence ses travaux en 1932 et, après vingt-sept ans d'efforts, présente en 1959 une pile de 5 kilowatts fonctionnant à l'hydrogène et à l'oxygène purs. La même année, aux États-Unis, un tracteur expérimental roule grâce à une pile à combustible.
Une pile comporte deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte. À l'anode, chaque molécule d'hydrogène se sépare en protons et en électrons. Les électrons ne peuvent pas traverser l'électrolyte : ils font le tour par un circuit extérieur, et ce flux d'électrons est le courant électrique. Les protons, eux, traversent l'électrolyte et rejoignent la cathode, où ils se combinent avec l'oxygène et les électrons pour former de l'eau. Le bilan s'écrit simplement : 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.
Selon le département américain de l'Énergie, le rendement de conversion peut dépasser 60 %, nettement plus qu'un moteur thermique. On classe les piles selon leur électrolyte : membrane polymère, solution alcaline, oxyde solide, et quelques autres. Une cellule seule ne donne qu'une faible tension, d'où l'empilement de dizaines de cellules en série.
Gemini, Apollo, la navette
L'espace offrait le terrain idéal : un vaisseau emporte de toute façon de l'hydrogène et de l'oxygène, et chaque kilogramme compte. Le 21 août 1965, la mission Gemini 5 devient la première à tirer son électricité de piles à combustible, ce qui lui permet de rester huit jours en orbite.
Pour Apollo, le module de service embarque trois piles alcalines fabriquées par Pratt & Whitney. Chacune réunit 31 cellules en série et fournit normalement de 563 à 1 420 watts, avec un maximum de 2 300 watts. Détail précieux : l'eau qu'elles produisent sert à la boisson des astronautes.
La navette spatiale reprend le principe avec trois piles alcalines. Chacune délivre en moyenne de 2 à 7 kilowatts sous 28 volts, et jusqu'à 12 kilowatts pendant de courtes périodes.
Et sur Terre ?
Sur Terre, la pile à combustible trouve sa place là où les batteries montrent leurs limites : les véhicules lourds qui roulent beaucoup et doivent faire le plein vite. Les projets européens JIVE et JIVE 2 ont déployé des bus à hydrogène dans plusieurs pays. Selon le bilan publié en juillet 2024, ces bus avaient parcouru plus de 17 millions de kilomètres en consommant de 5,6 à 7,6 kg d'hydrogène aux 100 km. Des constructeurs testent aussi des camions et des trains sur le même principe.
Le bénéfice climatique dépend cependant de l'origine de l'hydrogène : produit à partir d'électricité bas carbone, il a un intérêt ; produit à partir de combustibles fossiles, beaucoup moins.
L'électrolyseur, la pile à l'envers
Faire tourner la réaction dans l'autre sens, c'est l'électrolyse : de l'électricité casse les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. À bord de la Station spatiale internationale, c'est ainsi que l'on fabrique l'oxygène respiré par l'équipage, avec le courant des panneaux solaires. Sur Mars, l'expérience MOXIE du rover Perseverance a extrait de l'oxygène du dioxyde de carbone de l'atmosphère avec une cellule à oxyde solide : 122 grammes au total, en seize séances, jusqu'à sa dernière opération en août 2023.
Associer une pile et un électrolyseur donne une batterie d'un genre particulier, la pile régénérative : le jour, l'électricité solaire produit de l'hydrogène et de l'oxygène ; la nuit, la pile les recombine. La NASA a achevé en 2025 les premiers essais d'un tel système, conçu pour traverser les nuits lunaires de près de deux semaines avec moins de masse que des batteries équivalentes. Des cellules réversibles du même type, capables de stocker l'énergie sous forme de gaz à partir du CO₂ martien, sont l'objet d'une marche d'Anthropolaris (voir la marche I-OUT-05).
Les défis restent nombreux : produire de l'hydrogène propre en grande quantité, allonger la durée de vie des cellules, réduire l'usage de métaux rares dans les électrodes. Une pile capable de servir, sans entretien, pendant des décennies sur la Lune ou sur Mars ferait aussi le bonheur des sites isolés de la Terre.