Arkema dans la course pour la recherche de l'énergie propre

Secrets de fonctionnement

Des applications au quotidien

4 grands acteurs du marché

Arkema, un polymériste dans la course

Compte tenu des progrès enregistrés ces dernières années, la filière Hydrogène-Piles à combustible constitue une alternative énergétique prometteuse dans au moins trois grands domaines d’application : l’alimentation des appareils portables, la génération électrique décentralisée pour des usages individuels ou collectifs, et le transport automobile.
Qu'elle soit à oxydes solides (SOFC) ou à membrane polymère (PEMFC), la pile à combustible convertit en continu un mélange d'hydrogène et d'oxygène en électricité, selon une réaction électrochimique qui ne rejette que de l’eau.
L'intérêt majeur de ces systèmes tient à la multiplicité possible des sources de production d'hydrogène : réformage d'hydrocarbures, gaz de synthèse obtenu à partir de la biomasse, du charbon ou de résidus pétroliers, ou encore électrolyse de l'eau à partir de toute forme d'électricité (éolienne, hydraulique, nucléaire, ex-centrale à combustible, etc.).

A court terme, c’est dans le domaine des applications portables, puis des installations stationnaires de petite et moyenne puissance, que la diffusion de cette technologie devrait être la plus rapide.

Secrets de fonctionnement

Au contact d’un catalyseur au platine à l’anode, les atomes d’hydrogène se dissocient en électrons et protons. Les protons traversent la membrane et se retrouvent à la cathode. Le déséquilibre en électrons crée un pôle positif et un pôle négatif entre lesquels circulent les électrons. Attirés par la borne positive, ils contournent le filtre et génèrent un courant électrique. Protons et électrons se retrouvent côté cathode. Ils se recomposent en présence de l’oxygène contenu dans l’air pour produire de la vapeur d’eau. Les piles à oxydes solides (SOFC), opérées à plus de 700 °C et les piles à membrane polymère (PEMFC), qui fonctionnent à environ 80 °C, sont les principales filières en fonctionnement. La pile à membrane PEMFC est constituée de plaques bipolaires conductrices et d'électrodes, séparées par un électrolyte (membrane polymère) qui permet le passage du proton formé par dissociation de l'hydrogène.
La pile à combustible est intégrée dans un système complexe qui assure son alimentation en hydrogène de haute pureté, en air propre sous pression, qui convertit le courant produit par la pile, l’adapte aux spécifications requises et assure également la gestion thermique et celle des variations de puissance et de charge.

Des applications au quotidien

Compte tenu du rendement électrique attendu des piles à combustible, de la fiabilité et de la qualité du courant obtenu, de l'absence d'émissions et du faible niveau sonore, les applications envisagées sont les suivantes :

• alimentation des objets nomades et communicants (téléphones et ordinateurs portables)
• applications stationnaires de fourniture d'électricité, pour l'habitat individuel ou collectif, pour les sites publics, industriels ou isolés. La pile à combustible présente l'intérêt de pouvoir être utilisée en cogénération : la chaleur produite pouvant être soit directement employée pour le chauffage, soit être transformée en électricité par l'intermédiaire d'une turbine
• transports : traction électrique pour le transport en commun et pour le véhicule individuel, et aussi alimentation des périphériques embarqués (climatisation) grâce au développement des unités de puissance auxiliaire visant à doter un véhicule d'une source d'énergie électrique complémentaire et autonome.

4 grands acteurs du marché

L'industrie chimique développe des matériaux pour les composants du cœur de la pile à combustible comme la membrane et les plaques bipolaires ; les constructeurs automobiles et leurs équipementiers tentent d'optimiser et de miniaturiser le système pile avec ses auxiliaires et d'en réduire les coûts ; l'industrie pétrolière développe et teste des filières combustibles. Les électriciens, gaziers et équipementiers du chauffage évaluent le potentiel des piles à combustible sur le marché stationnaire et parfois des combustibles associés (hydrogène, gaz naturel).

Arkema, un polymériste dans la course

Un élément clé de la pile à combustible de type PEMFC est sa membrane. Arkema mise sur son expérience de polymériste et axe ses recherches sur son polymère fluoré, le Kynar®, pour un marché à haute valeur ajoutée et au potentiel considérable. Les piles à combustible de type PEMFC font l'objet de nombreuses recherches pour augmenter leurs performances et diminuer leur coût. Les solutions passent notamment par le développement de nouvelles membranes polymères. Cette membrane est constituée d'un composé organique, fin, solide avec la consistance d'un film en plastique d'une épaisseur caractéristique de 2 à 7 feuilles de papier (entre 50 et 200 µm). Elle doit rester saturée d'eau pour permettre le déplacement des particules. La conductivité ionique de la membrane dépend de la température de fonctionnement et de la pression.