Piles à combustible pour une mobilité durable

Les voitures électriques peuvent tirer leur électricité de batteries, mais l'hydrogène est également une source d'énergie intéressante. Dans les piles à combustible, cette énergie peut être convertie en électricité sans émission de CO₂. Les chercheurs ont optimisé ce système et en ont commercialisé les résultats sur un site Web.

Résumé du projet de recherche « Piles à combustible PEM ».

En un coup d’œil

L'hydrogène et les piles à combustible permettent de stocker l'électricité pour un usage ultérieur. Actuellement, des chercheurs suisses sont en passe de rendre cette technologie encore plus efficace.
Un transport plus efficient de l'hydrogène et de l'oxygène à travers les couches poreuses de diffusion gazeuse permettrait de réduire les pertes au sein des cellules.
Les chercheurs du PSI et de la ZHAW ont donc étudié, à une échelle microscopique, les processus se produisant dans les pores. Les résultats obtenus ont par la suite servi à mettre au point des modèles mathématiques qui sont aujourd’hui commercialisés.

Une part importante des émissions de gaz à effet de serre provient aujourd'hui de la circulation routière. Pour atteindre les objectifs climatiques, voitures et camions doivent donc renoncer aux combustibles fossiles et passer à la propulsion électrique. L'électricité pour les moteurs peut provenir soit de batteries, soit d’hydrogène transporté à bord et transformé en électricité dans des piles dites à combustible. Le seul résidu libéré est de l'eau pure. Il n’y a donc pas d’émissions de dioxyde de carbone, d’oxydes d'azote ou de particules fines. Les piles à combustible à la place de batteries dans les autobus, les camions et les voitures ont l'avantage que le processus de charge est beaucoup plus rapide, puisque le plein d'hydrogène, tout comme le plein d’essence aujourd’hui, se fait en très peu de temps. Les longs temps d'attente pour la recharge d’une batterie sont ainsi supprimés. La haute densité énergétique de l'hydrogène permet en outre aux véhicules de parcourir de longues distances. On observe actuellement l’émergence globale d’une nouvelle chaîne de valeur dans le domaine de l'hydrogène et des piles à combustible, à laquelle contribuent également des chercheurs de la ZHAW à Zurich.

Des micropores dans la cellule

Plus précisément, ces scientifiques ont étudié les piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC). Dans ce système, les substances réactives, à savoir l'oxygène et l'hydrogène, doivent diffuser à travers une couche poreuse de diffusion gazeuse. Cependant, à une performance spécifique élevée, mesurée en fonction du poids, une grande partie de la tension électrique est perdue pendant le transport des substances réactives. Afin d’identifier les conditions dans lesquelles ce phénomène se produit, les chercheurs se sont servis de la tomographie à rayons X pour scruter les couches de diffusion gazeuse des piles à combustible. Ce procédé d'imagerie permet de visualiser des structures même minuscules, et a permis aux scientifiques d'établir un lien entre l’aptitude au transport et les propriétés telles que la distribution des pores, la résistance des pores étroits aux processus de transport et les pores non circulaires. Ils ont ainsi pu quantifier l’aptitude des différentes couches de diffusion gazeuse au transport de gaz. Dans l’étape suivante, les chercheurs ont comparé les mesures effectuées moyennant les rayons X à des simulations informatiques et ont mis au point des modèles mathématiques permettant aux concepteurs de piles à combustible de construire des appareils plus efficaces. Une application potentielle est le développement de nouveaux matériaux avec pores optimisés pour les couches de diffusion gazeuse. Les chercheurs œuvrent maintenant à la mise en place d’une plateforme Web pour la commercialisation des modèles informatiques, afin que tous puissent à l'avenir bénéficier de ces travaux de recherche.

Quel est le fonctionnement d’une pile à combustible ?

Une exploitation technique de l'énergie stockée dans l'hydrogène peut se faire moyennant des piles à combustible. Dans ce système, l'hydrogène et l'oxygène sont soumis à une mise en contact contrôlée qui conduit à une réaction chimique produisant de l'électricité et ne libérant que de l'eau en résidu.

L'électricité est produite par la réaction de l'hydrogène avec l'oxygène. La réaction dite du gaz détonant est bien connue. De manière à ce que cette réaction chimique puisse se dérouler sous des conditions contrôlées plutôt que de façon explosive, l'hydrogène et l'oxygène sont acheminés séparément vers la pile à combustible. Des couches de diffusion de gaz assurent une distribution uniforme des gaz sur les surfaces électrochimiquement actives. Dans les électrodes dites à diffusion gazeuse, l'hydrogène, du côté de l'anode, est dissocié en un H⁺ et un électron, de charge négative. Du côté de la cathode, l'oxygène est également réduit. Seules les particules de charge positive sont à même de passer à travers une membrane conductrice de protons située entre les deux éléments de la cellule. Les électrons, générés à partir de l'hydrogène et chargés négativement, doivent donc trouver un autre moyen pour rejoindre l'oxygène de l'autre côté de la barrière et former de l'eau. Cette voie alternative est un conducteur électrique, dans lequel le flux d'électrons génère du courant pouvant ensuite servir à actionner des appareils.