© Olivier Toussaint

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Le vecteur hydrogène apparait comme une des forces du futur énergétique de la plupart des pays industrialisés avec le couple piles à combustible – électrolyseur, en liaison avec d’autres sources énergétiques telle que nucléaire, solaire ou éolien. La pile à combustible représente un des convertisseurs clés dans le domaine de la conversion de l’énergie en raison de son utilisation planifiée dans le stationnaire résidentiel (co-génération), le domaine du petit portable et les transports – avec la production en chaîne de véhicules motorisés au moyen de piles en Corée dès cette année. Pour une application possible à grande échelle de ce convertisseur très médiatique, il est nécessaire de réduire les coûts – on parle de 30 €/kW, et d’accroître ses performances – avec une cible de 1 W cm-2 – et sa longévité : 15 000 heures pour le résidentiel et 4 000 heures en mode embarqué. C’est dans la recherche d’une durabilité accrue que travaille une équipe du LRGP sur le site de l’ENSIC.

 

Connaissance des mécanismes de vieillissement de la pile
L’équipe a mis au point une stratégie d’étude du vieillissement de piles à combustible – en leur appliquant un stress particulier – au moyen de plusieurs techniques électrochimiques combinées à l’analyse chimique de l’eau produite, puis des caractérisations spectroscopiques et microscopiques de composants de la pile dans une analyse post-mortem. Ainsi, en combinant le génie des procédés et des réacteurs – puisque la pile à combustible est un réacteur continu qui produit de l’eau à partir d’hydrogène et d’oxygène – à l’électrochimie et aux méthodes physicochimiques, il est possible de comprendre les mécanismes des procédés de vieillissement des composants (membrane ionomère, couches catalytiques, couche de diffusion permettant l’accès des gaz vers le catalyseur) selon la nature du stress appliqué : présence de polluants dans les gaz réactifs, cyclage de puissance électrique fournie, cyclage de conditions d’hydratation dans la pile.

 

Tests de nouveaux composants pour une durabilité accrue
Elaborés à partir de matériaux mis au point par l’Institut Jean Lamour (IJL) à Nancy ou le CEA-LITEN à Grenoble, les nouveaux composants sont évalués en termes de performance et de durabilité. Par exemple, la modification du support carboné par fonctionnalisation avec une chaîne organique possédant des propriétés d’échange d’ions est une piste prometteuse pour une meilleure gestion de l’eau au voisinage du catalyseur. Un deuxième exemple mené avec le CEA est la modification locale de l’hydrophobicité de la couche microporeuse en s’adaptant au mieux à l’augmentation régulière de la quantité d’eau dans la pile entre l’entrée et la sortie.

 

Autres convertisseurs d’énergie
En collaboration étroite avec des spécialistes de génie électrique (GREEN), l’acquis de l’équipe a été appliqué aux batteries Lithium-ion avec la société SAFT pour mieux comprendre la formation de la couche d’interface solide-électrolyte. On travaille à présent sur le potentiel de l’hybridation directe de la pile par une supercapacité pour réduire le stress induit par les variations brutales de demande de puissance.

 

Intégration de la pile dans un système
Les approches de génie des procédés, de l’énergétique et de la cinétique des réactions sont mises à profit pour l’amélioration des performances de systèmes de co-génération avec des piles à oxydes solides en partenariat avec R.Bosch GmbH en Allemagne.

 

Par François Lapicque
Directeur de Recherche CNRS au Laboratoire Réactions et Génie de Procédés (LRGP), UMR 7274 CNRS-Université de Lorraine
francois.lapicque@univ-lorraine.fr