TOUT
CE QUE VOUS VOULIEZ SAVOIR SUR
LA PILE A COMBUSTIBLE
Actualité internationale
2007
TOUT
CE QUE VOUS VOULIEZ SAVOIR SUR
| Lancée
à l'occasion des "ReviewDays 2007" de la plate-forme technologique
européenne HFP (Hydrogène et pile à combustible),
cette "Joint Technology Initiative" (JTI) dans le domaine de l'hydrogène
et des piles à combustibles (PAC) est le fruit d'un effort coordonné
des directions générales Recherche, Transports, Energie et
Environnement de la Commission Européenne qui s'est engagée
à apporter 470 millions € pour la période 2008-2013.
L'objectif de ce partenariat de recherche sans précédent dans le domaine de l'énergie est d'atteindre le plus rapidement possible la commercialisation des applications de l'hydrogàne et des PAC. Les récentes avancées technologiques encouragent désormais une forte coordination de l'ensemble des moyens européens pour développer l'innovation de la recherche européenne et la rendre compétitive, au niveau de celle des Etats-Unis et du Japon. |
"Le lancement d'une
Joint Technology Initiative confirme l'importance accordée par la
Commission au développement d'une filière industrielle européenne
de l'hydrogène au sein d'une économie sans émission
de CO2", a déclaré Alain Bugat, Administrateur
Général du CEA, et par ailleurs vice-président de
la plate-forme HFP, auquel a été confié le regroupement
des acteurs de la recherche publique européenne dans le cadre de
cette initiative. Précisons que celle-ci rassemble, dès aujourd'hui,
50 industriels, 40 organismes publics de recherche -soit plus de 1.500
chercheurs couvrant tous les domaines de la R&D et de l'innovation
de la filière hydrogène et PAC- de seize pays et la Commission
Européenne.
Pour en savoir plus, contacts: CEA - Stephane Laveissiere: tel. +33(0)1 64 50 27 53 |
| Le constructeur
automobile Daihatsu a développé une pile à combustible
fonctionnant à l'hydrazine (N2H4) et ne nécessitant
pas de métaux nobles comme le platine. Ce nouveau modèle
peut fournir une puissance équivalente aux piles à combustibles
classiques. Le développement a été réalisé
en collaboration avec l'AIST.
Le combustible utilisé est l'hydrate d'hydrazine (N2H4,H2O) en solution aqueuse à 5%. La réaction à l'anode produit du N2 et de l'eau uniquement (pas d'émission de CO2). La puissance maximale fournie est de 500 mW/cm2 selon Daihatsu, équivalent les valeurs des PEMFC classiques. Théoriquement, cette puissance peut augmenter puisque la force électromotrice de la pile à l'hydrazine est plus de 25% supérieure à celles au H2: 1,56V pour la première contre 1,23V pour la deuxième. Après analyse, il s'est avéré que les métaux qui conviennent le mieux comme catalyseurs sont le nickel à l'anode (face combustible) et le cobalt à la cathode (face oxygène). L'utilisation de ces métaux revient à 500 yens environ par véhicule, contre 400.000 à 500.000 yens pour le platine (3 € contre 2.700 €). Dans les piles à combustibles à membrane d'échange de cations (PEMFC) classiques, la réaction qui a lieu entre le H2 et le O2 se fait en milieu très acide et c'est pourquoi le platine, qui a une très grande résistance à la corrosion, est utilisé. Ici, la membrane d'échange est de type anionique, faisant circuler les ions OH- en milieu alcalin et permettant ainsi l'utilisation de métaux non nobles comme le cobalt ou le nickel. Le constructeur avait déjà présenté en 2005 les potentialités d'une pile à combustible à l'hydrazine mais un des problèmes majeurs qui avait alors été soulevé se rapportait à la sécurité du système. En effet, les dérivés d'hydrazine sont considérés comme des substances délétères au-delà d'une concentration massique de 30% au Japon ainsi que comme des matières inflammables quand la concentration massique excède 80%. Le groupe a donc développé un système permettant de fixer l'hydrate d'hydrazine afin de le stocker, et de libérer uniquement la quantité nécessaire sous forme liquide. L'hydrazine est fixée à un groupe carbonyle (C=O) et donne l'hydrazone, qui hydrolysée se transforme facilement de l'hydrazine. |
En pratique, le véhicule possède
un réservoir contenant le polymère avec le groupe carbonyle
où est stocké le combustible, ainsi qu'une sortie d'eau chaude
permettant l'hydrolyse de l'hydrazone en hydrate d'hydrazine.
Actuellement, l'hydrazine est produite industriellement à partir de NH3 pour un prix au litre de 200 yens (1,25 €) mais le coût de production pourrait être réduit de moitié en le synthétisant à partir de N2 et de H3. Ce nouveau modèle de pile à combustible est doublement écologique car en plus d'assurer l'autonomie face aux hydrocarbures, il contribue à la réduction des émissions de CO2. Daihatsu considère cependant que la quantité de CO2 réduite grâce aux piles à l'hydrazine équivaut à celle des piles à l'hydrogène. C'est principalement le coût du matériel qui change. Le constructeur envisage d'utiliser ce modèle de pile à combustible dans ses futurs petits véhicules low-cost et cherche à lier des partenariats pour le développement de cette technologie, avec Toyota par exemple. Pour en savoir plus, contacts:
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| La pile
à combustible à hydrogène associée à
un réservoir d'hydrogène offre de son côté des
performances massiques et volumiques très intéressantes permettant
d'ores et déjà d'envisager son intégration dans des
appareils électriques portables. Des systèmes à base
d'hydrures métalliques couplés à une pile à
combustible portable planaire type PaxiTech permettent d'ores et déjà
d'atteindre des densités énergétiques semblables à
celles des meilleures batteries (160 à 180 Wh/kg). Le seul frein
à leur commercialisation réside dans la distribution et le
stockage de l'hydrogène. Aujourd'hui, les solutions envisageables
pour la fourniture de combustible à grande échelle sont des
réservoirs d'hydrogène comprimé à haute pression
plutôt destinés aux applications de fortes puissances, ou
devant stocker beaucoup d'énergie, des réservoirs d'hydrures
métalliques présentant de bonnes performances volumiques,
ou un système à base d'hydrures chimiques dont le potentiel
en terme d'énergie est le plus prometteur.
Des chercheurs de l'Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS-ST2I, UMR-5270, site INSA) élaborent une nouvelle source écologique d'hydrogène à base de nanostructures de Si poreux (en état de poudre – voir Figure 1-a) fortement hydrogénées (SiHX, avec x=>2). Ces nanostructures peuvent être obtenues lors de la dissolution chimique ou électrochimique du silicium cristallin. La morphologie de ce matériau à l'échelle nanoscopique est présentée sur la Figure 1-b. On peut remarquer de nombreux nanocristaux interconnectés (de taille 1-3 nm) qui constituent la poudre. Dans ces nanocristaux, tous les atomes de Si sont chimiquement liés avec au moins un atome d'hydrogène.
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L'INL en collaboration
avec la société PaxiTech (www.paxitech.com)
a réalisé une démonstration du fonctionnement d'une
pile à combustible destinée à alimenter des dispositifs
portables en utilisant une cartouche expérimentale contenant la
nano-poudre hydrogénée de Si (Figure 2).
La collaboration entre l'INL et PaxiTech devrait permettre dans les prochaines années d'atteindre des densités énergétiques encore plus élevées. Bibliographie: 1. V. Lysenko et Ch. Turpin, Réservoir d'hydrogène à base de nanostructures de silicium, brevet français N°0350375, déposé le 28/07/2003. 2. T. Nychyporuk, V. Lysenko, D. Barbier, Fractal nature of porous silicon nanocrystallites, Phys. Rev. B, vol. 71, (2005) N°115402. 3. V. Lysenko, F. Bidault, S. Alekseev, C. Turpin, F. Geobaldo, P. Rivolo, E. Garrone, V. Zaitsev, D. Barbier, Sudy of porous silicon nanostructures as hydrogen reservoirs, J. Phys. Chem. B, vol. 109, (2005) pp. 19711-19718. 4. V. Lysenko, S. Alekseev, J. Botsoa, D. Barbier, Incorporation of hydrogen in porous silicon nanocrystallites, Phys. Stat. Sol. (a), vol. 204, (2007) pp. 1307-1311.
Voir aussi News du PV août |
| Après des
années de recherche, des scientifiques et étudiants de l'Université
d'Offenbourg sont parvenus à concevoir une pile à combustible
(PAC) à éthanol assez puissante pour entraîner un véhicule.
Pour ce faire, ils ont repris une technologie dont le développement avait été abandonné il y a 20 ans: la PAC alcaline. A l'époque, on ne disposait pas encore des membranes adaptées au fonctionnement d'une telle pile. Aujourd'hui, l'utilisation de membranes initialement développées pour le traitement des eaux usées a permis aux chercheurs de concevoir une PAC alcaline fonctionnant à l'éthanol et d'une taille satisfaisante. Contrairement au type le plus répandu de PAC, dite à membrane échangeuse de protons (ou PEMFC), la PAC alcaline présente l'avantage de tolérer des catalyseurs assez efficaces pour permettre la rupture d'une liaison C-C, rupture nécessaire au déroulement de la réaction d'oxydoréduction. Montée sur un véhicule dénommé "Schluckspecht" (le poivrot), la pile a ainsi pu entraîner l'engin sur le circuit Paul Armagnac dans le sud de la France à l'occasion de l'Eco-Marathon 2007 organisé par le groupe Shell, et remporter le 2ème prix. Les piles à combustibles (PAC) produisent de l'électricité via une réaction d'oxydoréduction impliquant en général de l'hydrogène (à la cathode) et de l'oxygène (à l'anode). Ces deux réactifs sont séparés par une membrane (électrolyte) de part et d'autre de laquelle sont disposés des catalyseurs. L'hydrogène est oxydé à l'anode, c'est-à-dire décomposé en protons et en électrons. |
Dans le cas de la PEMFC,
la particule chargée positivement traverse l'électrolyte
et se retrouve à la cathode, pendant que l'électron simultanément
libéré circule dans un circuit extérieur. Ce circuit
contourne la membrane pour atteindre lui aussi la cathode. Là, l'électron
réagit avec le proton et l'oxygène : un courant électrique
est créé.
L'utilisation d'un autre combustible que l'hydrogène, comme l'éthanol par exemple, rend la réaction chimique plus difficile : celle-ci implique en effet la rupture d'une liaison C-C, d'où la nécessité d'utiliser un catalyseur plus puissant. Or les catalyseurs potentiellement adaptés ne sont pas stables dans le milieu nécessairement acide de la PEMFC. Pour en savoir plus, contacts:
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| La pile à
combustible à oxyde solide (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) est une
des solutions technologiques les plus efficaces pour contrer la pollution
résultant de la dépendance du monde moderne aux énergies
fossiles. Ce dispositif, qui produit de l'électricité, ne
pollue pas l'atmosphère, ne fait pas de bruit et libère uniquement
de l'eau et de la chaleur.
Afin de perfectionner cette technologie prometteuse, les spécialistes en piles à combustible du Conseil National de Recherches Canada (CNRC) se sont associés au 6ème Programme-Cadre pour la recherche et la technologie (PC) de la Commission Européenne ainsi qu'à des organismes internationaux. La pile à combustible mise au point par le CNRC a déjà atteint les objectifs du Programme fixés pour 2010. "Le projet s'intitule Demonstration of SOFC stack technology for operation at 600°C ou SOFC600", explique Radenka Maric, chef du groupe des piles à combustible à haute température de l'Institut d'Innovation en Piles à Combustible (IIPC-CNRC). |
L'objectif final est de créer
des piles à oxyde solide économiquement rentables qui produiront
efficacement de l'énergie sans polluer. Pour cela, le projet a été
morcelé en objectifs plus modestes confiés aux divers membres
de l'équipe, afin d'obtenir une SOFC de 1 kW fonctionnant à
600°C d'ici 4 ans. En plus d'être écologiques, les piles
à combustible se caractérisent par un bon rendement. Ainsi,
le rendement d'une SOFC peut atteindre 70%, en comparaison de 30% pour
une centrale thermique. Cependant, il reste des obstacles techniques à
surmonter, le principal étant la température.
Actuellement, les SOFC fonctionnent à environ 1.000°C, ce qui les détériore rapidement. L'équipe teste aussi de nouveaux matériaux, plus performant et moins chers que le platine actuellement employé. L'autre innovation est la technologie du dépôt réactif par pulvérisation: des pellicules extrêmement minces d'un matériau conducteur sont déposées sur le substrat de la pile avec une très grande précision. Plus les couches sont minces, moins il y a de résistance, d'où une meilleure performance à une température inférieure à celle des piles existantes. |
| Une équipe de chercheurs de l'université
d'Oxford (Grande-Bretagne) a mis au point une batterie fonctionnant à
partir d'air ordinaire enrichi d'une petite quantité d'hydrogène.
Le prototype a été dévoilé lors de la 233e édition de l'American Chemical Society, la plus ancienne société de chimie au monde. Fraser Armstrong, docteur en physique, y a expliqué comment lui et le groupe qu'il dirige ont réalisé cette batterie, qui fonctionne au moyen de deux électrodes couvertes d'hydrogenases mises en contact avec de l'air pur auquel a été ajouté de l'hydrogène sous une concentration de seulement 3%. Ces hydrogenases sont des enzymes que l'on trouve chez des bactéries, en l'occurrence le Ralstonia metallidurans, un des plus anciens organismes monocellulaires de notre planète puisque son apparition remonte à 2,5 milliards d'années. Lorsque cette bactérie, qui constitue probablement un de nos ancêtres à tous, est apparue, l'atmosphère terrestre ne comportait encore aucune trace d'oxygène, et c'est pourquoi elle a survécu en métabolisant l'hydrogène. Mais contrairement à d'autres, elle s'est adaptée alors que l'atmosphère se modifiait, ce qui lui a permis de survivre jusqu'à notre époque moderne. Ralstonia metallidurans oxyde donc l'hydrogène dans son métabolisme, produisant de l'eau sous forme de déchet ainsi que le dégagement d'énergie observé. |
Ce processus naturel fonctionne avec un taux d'hydrogène de
seulement 3%, ce qui est inférieur au seuil d'inflammabilité
de ce gaz, qui est de 4% environ, assurant ainsi une bonne sécurité
en cas d'application pratique.
D'autres procédés existent pour convertir l'énergie chimique d'un carburant en électricité sans combustion, également au départ d'hydrogène et d'oxygène en produisant de l'eau comme résidu. Mais ceux-ci utilisent généralement le platine comme catalyseur, or celui-ci est un métal rare et cher (beaucoup plus cher que l'or), et en outre, ce métal est facilement inactivé par la présence d'oxyde de carbone, que l'on trouve fréquemment à l'état d'impuretés dans l'hydrogène produit industriellement. "Cette technologie promet des développements immenses", déclare Armstrong. "Nous nous trouvons au sommet d'un grand iceberg, avec énormément de conséquences et de développements à découvrir, mais il reste encore beaucoup de travail à accomplir avant que ce procédé ne devienne commercialement exploitable." Jusqu'à présent, la batterie construite à l'état de prototype n'a encore alimenté que des horloges digitales ou de petits appareils faibles consommateurs d'électricité. Mais même dans cette voie, les utilisations potentielles sont énormes et tout reste à découvrir. |
| Une équipe de l'université de Bilkent à Ankara, en collaboration avec le National Institute of Standards and Technology (NIST, une agence du département américain du commerce) ont montré qu'une molécule d'éthylène, molécule banale à la base de la plupart des plastiques, à laquelle on ajouterait deux atomes de titane à chaque extrémité formerait une capsule capable d'absorber jusqu'à 10 molécules d'hydrogène. Ce réservoir serait ensuite capable de libérer l'hydrogène ainsi stocké avec une faible quantité de chaleur. | Fruit d'un travail de modélisation
mathématique, le stockage "solide" de l'hydrogène est préféré
au stockage comprimà à l'etat gazeux ou liquide qui requiert
des réservoirs de grande capacité.
Mais si Taner Yilderim, théoricien du NIST, et son équipe ont étudié différentes voies de développement de ces matériaux, de nombreux obstacles subsistent à leur exploitation. Source: Physical Review Letters, 97, 226102 (2006) |
