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RÉSUMÉ
L’hydrogène décarboné a le potentiel de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) de secteurs comme l’industrie et les transports. Pour ce dernier, la technologie des piles à combustible permet le déploiement de véhicules à hydrogène à faible émission de GES. La technologie de pile actuelle est contrainte d'utiliser des matériaux rares, chers et controversés. Une technologie émergente de pile a le potentiel de réduire les coûts économiques et environnementaux des piles, particulièrement par le développement de catalyseurs sans métaux précieux. Cet article explore les avancées sur ces nouveaux catalyseurs, prometteurs pour le déploiement à grande échelle de cette technologie.
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Simon AMIGUES : Doctorant, ingénieur de Grenoble-INP - Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
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Nicolas BIBENT : Ingénieur de recherche - Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
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Frédéric JAOUEN : Directeur de recherche - Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
L’hydrogène produit par des procédés décarbonés peut jouer un rôle dans la décarbonation de plusieurs secteurs en France, en particulier ceux de l’industrie et des transports, et jouer un rôle central dans le stockage de l’électricité issue de ressources renouvelables. En France, le secteur des transports constitue la principale source d’émissions de gaz à effet de serre (GES), avec plus de 30 % du total. Pour engager la décarbonation de ce secteur, il est essentiel d'électrifier une partie des véhicules routiers du parc automobile français. Pour les transports lourds, l'électrification par les technologies de l’hydrogène semble pertinente. Les piles à combustible, convertissant l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique par réactions électrochimiques, en sont au cœur. La technologie actuellement mature et commercialisée est la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (Proton-Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC). Cependant, à cause de son fonctionnement en environnement acide, cette technologie requiert l’utilisation de catalyseurs à base de platine et de membranes polymères fluorées, entraînant un coût économique et environnemental important. La technologie des piles à combustible à membrane échangeuse d’anions (Anion-Exchange Membrane Fuel Cell, AEMFC), caractérisée par un environnement basique, permet de se passer de catalyseurs à base de métaux précieux et de membranes fluorées. L’utilisation de ces catalyseurs dépourvus de métaux précieux est particulièrement intéressante et sera approfondie dans cet article. Après une mise en contexte suivie d’une comparaison des PEMFC et AEMFC et de leur fonctionnement, l’article se focalise sur la description des catalyseurs sans métaux précieux à la cathode et à l’anode pour les AEMFC. Une attention particulière sera accordée à une nouvelle catégorie de catalyseurs développés pour l’anode comprenant un cœur de nickel et une coquille de carbone, éventuellement dopée par d’autres éléments.
Points clés
Domaine : Hydrogène, électrocatalyse, piles à combustible
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : pile à combustible, électrolyseur, automobile, transport lourd
Domaines d’application : énergie renouvelable, décarbonation, mobilité
Principaux acteurs français :
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Centres de compétence : CEA, CNRS ;
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Industriels : Clhynn, Symbio, McPhy, Michelin, Gen-Hy.
Autres acteurs dans le monde : Fournisseurs de membranes AEM : Fumatech, Versogen, Xergy, Ionomr innovation, Orion, GenCell Energy
Contact : http://www.linkedin.com/in/simon-amigues, [email protected], [email protected]
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4. Conclusion
Le développement d'une filière autour de l'hydrogène décarboné peut jouer un rôle crucial dans la décarbonation de notre industrie et favoriser le déploiement de moyens de production d’électricité renouvelable. L’hydrogène décarboné constitue également un enjeu majeur dans la décarbonation du secteur des transports, principal contributeur aux émissions de GES de la France, en particulier dans le secteur des transports lourds. La conversion directe de l'hydrogène en électricité utilisable pour ces différents usages se fait dans une pile à combustible. Actuellement, la technologie de pile à combustible mature et commercialisée à grande échelle est celle des PEMFC. Cette dernière nécessite l’usage de métaux précieux, notamment pour catalyser les réactions électrochimiques en son sein, impliquant un coût économique et environnemental élevé. De plus, les membranes conductrices de protons sont actuellement formulées à partir de polymères fluorés soulevant de nombreuses problématiques environnementales et de santé publique.
La technologie des AEMFC, caractérisée par un environnement moins corrosif, permet quant à elle l'utilisation de matériaux plus abondants et abordables. Le récent développement de membranes échangeuses d’anions (AEM) performantes et durables a permis l’essor de cette nouvelle technologie. Bien que leur niveau de maturité soit inférieur à celui des PEMFC, les AEMFC ont atteint des performances initiales comparables, voire supérieures, à celles des PEMFC lorsqu’elles utilisent des catalyseurs composés de métaux précieux. Plus prometteur encore, les performances initiales des AEMFC sont proches de celles des PEMFC même après substitution des métaux précieux présents à la cathode par de catalyseurs composés de métaux abondants de la croûte terrestre. Cependant, le développement de catalyseurs sans métaux précieux pour la réaction à l’anode montrant de bonnes performances reste l’un des plus grands défis pour les AEMFC. Ces dernières années, les catalyseurs de nickel de type cœur@coquille ont montré des performances électrochimiques et des stabilités remarquables, ouvrant la voie au développement de piles AEMFC complètement dépourvues de métaux précieux.
La durabilité des AEMFC sera alors le dernier verrou avant un déploiement à plus grande échelle de cette technologie de...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HYDROGEN COUNCIL - Hydrogen scaling up – A sustainable pathway for the global energy transition. - Rapport (2017).
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(2) - GOUVERNEMENT FRANÇAIS - Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France. - Rapport (2023).
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(3) - FRANCE HYDROGÈNE - Production d’hydrogène à partir des combustibles fossiles. - Fiche 3.1.1 révisée en 2019.
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(4) - IFPEN - Tout savoir sur l’hydrogène. - In IFPEN [s.d.].
-
(5) - RTE - Futurs énergétiques 2050. - Rapport (2022).
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(6) - IEA - Net Zero by 2050 – A Roadmap for the Global Energy Sector. - Rapport révisé en 2021 [s.d.].
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Systèmes de piles à combustible – Applications stationnaires et mobilités terrestres
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Systèmes de piles à combustible – Applications fluviale, maritime, aérospatiale et portable.
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Filières de piles à combustible – Piles alcalines et à haute température.
-
Principe des piles à combustible – Piles à membranes basse température.
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Piles à combustible appliquées à la mobilité électrique – La mobilité hydrogène.
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