HYLIFE

Le stockage et la restitution électrochimique de l'énergie constitue une de voies de gestion optimale des ressources énergétiques. En effet, dans un contexte de raréfaction des ressources fossiles et de développement des énergies renouvelables, généralement intermittentes, la possibilité de stocker l'énergie électrique et de la restituer avec des rendements intéressants apparaît comme une solution à long terme vers un développement durable. Une des voies de stockage-restitution de l'énergie électrique consiste à passer par un vecteur énergétique, c'est-à-dire à transformer l'énergie électrique en énergie chimique via la production d'un combustible, l'hydrogène par exemple (électrolyse). Les systèmes de restitution constituent un maillon important de la chaîne de stockage : en effet, une fois l'énergie stockée, encore faut-il que celle-ci soit restituée, en temps opportun, avec des rendements intéressants. Si l'hydrogène peut, comme tout combustible, être brûlé, il est bien plus intéressant, du point de vue du rendement, de l'utiliser dans des systèmes électrochimiques ouverts tels que les piles à combustibles.

Parmi tous les types de piles existantes, les piles à électrolyte polymère solide (Proton Exchange Membrane, ou PEM) hydrogène/air sont les plus versatiles, et donc adaptables tant aux applications mobiles que stationnaires. Ces piles sont constituées d'une membrane ionique conductrice de protons, à laquelle sont accolées, de part et d'autre, deux couches catalytiques (anodique et cathodique - nanoparticules de platine ou d'alliage supportées sur carbone); cette couche catalytique est elle-même revêtue d'un tissu de carbone permettant la répartition de l'air ou de l'hydrogène sur toute la surface de l'électrode ainsi que l'évacuation de l'eau formée. L'assemblage est placé entre deux plaques bipolaires, constituées de graphite usiné, qui servent à la fois de collecteurs d'électrons et de distributeurs de gaz aux électrodes.

Lors d'une recherche précédente (projet INNOPEM), menée par l'ULg, l'ULB, l'UNamur et Arceo, des avancées significatives ont été obtenues au niveau des trois constituants principaux des piles PEM : (i) des catalyseurs Pt/carbone nanostructuré (type xérogel ou nanotube de carbone) présentant des caractéristiques optimales pour cette application ont été obtenus par des procédés contrôlés d'imprégnation ou plasma (basse et haute pression); (ii) des membranes échangeuses de protons ont pu être produites par procédé plasma haute pression ; (iii) des plaques bipolaires en acier revêtu, obtenues par emboutissage de feuilles d'acier traitées par PVD, et présentant une faible résistance de contact et une bonne résistance à la corrosion dans le milieu-type d'une pile PEM ont été réalisées, à l'échelle du laboratoire et sur la ligne pilote Arceo. Tous ces éléments concourent à diminuer le coût des piles, qui reste un obstacle majeur à leur déploiement. La réduction des coûts est basée sur une diminution de la quantité de matière précieuse à utiliser (Pt), la modification des procédés de fabrication (membranes, catalyseurs) ou le remplacement d'un matériau par un autre beaucoup moins cher (plaques bipolaires).

Néanmoins, les éléments développés nécessitent, pour la plupart, des améliorations au niveau de leur durée de vie. Ainsi, le projet HYLIFE aura pour but de développer les matériaux et procédés issus d'INNOPEM dans une optique d'augmentation de leur durée de vie, et donc de la diminution du coût global de ces équipements.

Le projet concernera à nouveau les trois éléments constitutifs de la pile. Au niveau des catalyseurs, l’accent sera mis sur (i) la modification de la chimie/cristallinité de surface des supports et (ii) la fabrication de catalyseurs bimétalliques core-shell (Co-Pt, essentiellement) par imprégnation ou plasma (haute ou basse pression) après fonctionnalisation du support. En ce qui concerne les membranes, les recherches les plus récentes ont abouti à une membrane de polystyrène sulfoné fortement fluorée, susceptible de présenter une résistance chimique supérieure aux matériaux actuels. Ces membranes doivent être optimisées et le procédé de dépôt adapté, notamment pour augmenter la résistance mécanique. Enfin, pour les plaques bipolaires en acier revêtu, les recherches partiront des résultats obtenus avec les revêtements PVD (type Cr(x)N) dont la tenue à la déformation et à la corrosion après emboutissage constituera une référence de comparaison. L'approche, complémentaire, qu’il serait intéressant d’aborder concerne le dépôt sur acier de films polymériques (éventuellement dopés en nanoparticules conductrices) par électro-polymérisation. La littérature a en effet montré qu’une telle approche est réalisable, même si les films déposés par cette approche ne sont pas encore parfaits.

Le consortium initial du projet INNOPEM sera élargi : Materia Nova apportera son expertise dans le domaine des revêtements polymériques dopés et l’INP-Grenoble interviendra en support pour la caractérisation électrochimique fondamentale des catalyseurs bimétalliques. Arceo s.a., Mecasoft et Solvicore interviendront en tant que parrains industriels.

Partenaires

Materia Nova

Université de Namur