Vers la neutralité carbone : la pile à combustible à hydrogène

L'hydrogène est devenu un élément important des plans stratégiques pour le secteur de l'énergie grâce à des initiatives politiques telles que le "Green Deal" européen, qui vise à installer suffisamment d'électrolyseurs sur le continent pour produire 10 millions de tonnes d'hydrogène renouvelable d'ici 2030. En France, le gouvernement a prévu 7,2 milliards d'euros pour financer les projets relatifs à l'hydrogène d'ici 2030, dont 2 milliards d'euros d'ici 2022.

Le transport est l'un des secteurs en pleine transition, car il fait appel aux énergies renouvelables pour réduire sa dépendance aux combustibles fossiles. On s'éloigne des moteurs à combustion interne polluants pour se tourner vers des moyens de propulsion alternatifs. L'une des technologies utilisées est la pile à combustible à hydrogène, qui peut alimenter des voitures, des bateaux, des camions, des trains, des drones et des avions. Elle joue un rôle complémentaire à celui des véhicules électriques à batterie (BEV) en contribuant à la décarbonisation du secteur de la mobilité.

Pourquoi l'hydrogène est-il une alternative intéressante aux combustibles fossiles ?  Pour commencer, l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers, il n'y a donc aucune crainte qu'il soit épuisé. Sur la planète Terre, l'hydrogène se trouve principalement dans l'eau, mais aussi dans d'autres composés, comme le méthane. Il doit être séparé afin d'en extraire de l'hydrogène pur (H²) qui peut ensuite être utilisé dans les piles à combustible à hydrogène pour alimenter les véhicules (FCEV). Lorsque l'hydrogène réagit pour produire de l'énergie, le sous-produit chimique est H²O - de l'eau ordinaire - et non du dioxyde de carbone. Il s'agit donc d'une forme d'énergie relativement propre à utiliser.

Cependant, l'extraction de l'hydrogène représente un challenge important. La méthode d'extraction la plus courante - le reformage du gaz naturel à la vapeur - est en soi une activité polluante, créant du CO² comme sous-produit. Cet hydrogène "gris" ne permet pas d'atteindre les objectifs climatiques. Il existe des méthodes pour capturer le CO² et, mieux encore, pour extraire l'hydrogène en utilisant des méthodes alimentées par des sources d'énergie "vertes", qui ne libèrent pas de dioxyde de carbone du tout. Si l'électricité utilisée pour ce processus est produite par des sources renouvelables, telles que l'énergie solaire, éolienne ou hydraulique, l'hydrogène qui en résulte est également considéré comme renouvelable.

Qu'est-ce qu'une pile à combustible à hydrogène et comment fonctionne-t-elle ? Une pile à combustible à hydrogène est un dispositif qui crée de l'électricité à partir d'une réaction électrochimique (de l'hydrogène et de l'oxygène), plutôt que par la combustion (combustion du carburant dans un moteur à essence ou diesel standard). Le type de pile à combustible le plus courant pour les véhicules utilise une membrane électrolytique polymère (PEM) avec du gaz diffusé en couches minces pour assurer une distribution uniforme de l'hydrogène et de l'oxygène.  Les piles individuelles sont empilées pour obtenir une tension et une puissance plus élevées.

SOURCE:   U.S. Department of Energy Efficiency & Renewable Energy (EERE)

Voici comment le U.S. Department of Energy Efficiency & Renewable Energy (EERE) décrit son fonctionnement : "Les piles à combustible fonctionnent comme des batteries, mais elles ne s'épuisent pas et n'ont pas besoin d'être rechargées. Elles produisent de l'électricité et de la chaleur tant que le combustible est fourni. Une pile à combustible se compose de deux électrodes - une électrode négative (ou anode) et une électrode positive (ou cathode) - prises en sandwich autour d'un électrolyte. Un combustible, tel que l'hydrogène, est amené à l'anode, et l'air à la cathode. Dans une pile à combustible à hydrogène, un catalyseur situé à l'anode sépare les molécules d'hydrogène en protons et en électrons, qui prennent différents chemins vers la cathode. Les électrons passent par un circuit externe, créant ainsi un flux d'électricité. Les protons migrent à travers l'électrolyte jusqu'à la cathode, où ils s'unissent à l'oxygène et aux électrons pour produire de l'eau et de la chaleur".

Comment améliorer l'efficacité des piles à combustible ?  La température, l'humidité, la concentration d'hydrogène, la pureté et la pression à l'intérieur d'une pile à combustible, peuvent toutes affecter ses performances. Pour améliorer l'efficacité et assurer un rendement énergétique constant, un processus de refroidissement faisant généralement passer un fluide ou de l'air entre les piles à combustible les débarrasse de l'excès de chaleur, ce qui permet de contrôler l'humidité de la pile pour une performance optimale. Afin de maintenir la température constante, un système d'étanchéité robuste est nécessaire.  

Le caoutchouc de silicone liquide (LSR) est utilisé pour l'étanchéité de haute précision des piles à hydrogène, car il peut être surmoulé directement sur la structure de la plaque métallique, plastique ou composite. Il présente d'excellentes propriétés d'adhérence, de flexibilité, d'imperméabilité et de déformation rémanente à la compression. De plus, il présente une forte résistance à la température, de sorte que le LSR ne s'étire pas à haute température et ne devient pas rigide lorsqu'il fait froid. Le LSR est chimiquement inerte et présente une bonne résistance aux produits chimiques et aux UV, ce qui le rend adapté à une utilisation dans les véhicules. Les joints surmoulés sont fixés directement sur la membrane de diffusion des gaz et peuvent être utilisés dans des piles compactes, ce qui garantit une source d'énergie fiable, un gain de poids et d'espace, une meilleure résistance aux fuites et un rendement deux fois supérieur à celui d'un moteur à combustion interne. 

Chez Acaplast, nous suivons avec attention les développements dans le secteur de la mobilité et de l'hydrogène, et sommes à votre écoute pour en discuter ensemble.  Pour obtenir plus d'informations sur le joint pour pile à combustible à hydrogène Acaplast LSR ou discuter de votre idée de développement, n'hésitez pas à nous contacter.

Pour plus d'informations sur les parties de la pile à combustible et leur fonction, vous pouvez vous référer au site web EERE ici : https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cell-animation-text-version