Améliorer les piles à combustible
22/09/09

Relever la température

Il existe beaucoup de types de piles à combustible. Celles qui semblent cependant avoir aujourd'hui les faveurs des chercheurs et des fabricants sont les piles à électrolyte solide, c'est-à-dire dont l'électrolyte est un polymère en film mince, ce qui permet de réaliser des unités très fines et donc d'en empiler un grand nombre pour réaliser des piles compactes de grande densité énergétique. On arrive ainsi à réaliser des piles de 2 kilowatts qui tiennent dans un volume d'un litre. Dans une voiture, une pile de 100 kilowatts, suffisante pour la propulsion, n'occuperait donc qu'un volume d'une cinquantaine de litres. «L’inconvénient des polymères, explique le professeur Germain dont le laboratoire étudie ce problème, c’est qu’ils ne sont pas stables à haute température. Ils fonctionnent jusqu’à environ 80 à 100 degrés. C’est une température intéressante pour le démarrage, mais à ces températures, les réactions chimiques sont lentes. C’est pour cette raison qu’il faut beaucoup de platine. Notre but est donc de relever le niveau de température. Ce faisant, on améliorerait les performances, ce qui permettrait de diminuer la quantité de platine nécessaire.»

micrographie xérogels de carbone-morphologie

La réalisation de piles à combustible à plus haute température présente un autre avantage. Pour le comprendre, il faut revenir un moment au fonctionnement de la pile. Même si le rendement d'une pile à combustible est très bon, il n'est pas de 100%. Il y a donc une perte qui se manifeste sous forme de chaleur. Et refroidir quelque chose qui est à 80°C n'est pas aisé, surtout dans un espace limité comme une voiture. «Un de nos objectifs, précise Albert Germain, est donc de développer des systèmes qui fonctionnent à plus haute température. Nous avons formé une équipe avec le CERM des professeurs Jérôme et Detrembleur, le laboratoire EMIC du Professeur Huynen de l'UCL et le Certech à Seneffe, un centre de développement technologique, pour mettre au point des assemblages membrane-électrodes stables à plus haute température. D’autres voies sont actuellement explorées en collaboration avec le LASSC du professeur Heyen, IT4IP (une société qui fabrique des polymères particuliers) et Nanocyl, société qui produit des nanotubes de carbone car il est possible de modifier le polymère en y incorporant des nanotubes qui ont d'excellentes propriétés électriques. L'objectif est ici d'atteindre un procédé qui fonctionne à environ 200°C.» Ce qui, notons-le, est plus facile à refroidir qu'à 80°C puisque ce qui compte, c'est la différence de température. A partir du moment où l'on améliore ainsi le transfert thermique, il y a un autre champ d'application qui s'ouvre: la cogénération chaleur-électricité. On peut alors envisager qu'une seule et même pile fournirait à la fois le chauffage domestique et l'énergie électrique. Le chauffage deviendrait donc gratuit puisqu'il serait assuré par les pertes du système de production d'énergie électrique! La notion même de rendement électrique perd donc de son sens puisque tout ce qui n'est pas électricité devient chaleur. «C'est évidemment un bouleversement, explique Albert Germain. Dans le système que nous connaissons, celui des centrales électriques actuelles, les pertes de rendement sont inutilisées (dans le cas de Tihange, par exemple, la chaleur se dissipe dans l'eau de la Meuse!); avec les piles à combustibles, la perte de rendement électrique est convertie en chaleur utile. Même si le rendement électrique n'est pas de 100%, ce qui n'est pas utilisé pour l'énergie électrique l'est pour l'énergie thermique.» L'équipe du professeur Germain a mis au point des membranes qui résistent à 200°C, mais elles sont très fragiles et leur manipulation difficile. Il faut arriver à améliorer leurs propriétés mécaniques afin qu'elles ne se cassent pas lors des opérations d'assemblage de la pile. Une pile est en effet toujours un assemblage d'éléments, un élément, qui fournit environ 0,7 volt, étant composé des deux électrodes et de l'électrolyte qui les sépare. Il y a donc une opération de pressage, au cours de laquelle les membranes peuvent se briser.

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