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Définition et implications du concept de voiture propre

 

b) Quelle pile pour les transports : PEM ou SOFC ?

La PEM-FC n'est qu'un type parmi d'autres de piles à combustible qui toutes, avec des électrolytes différents, aboutissent à la production d'électricité et d'eau. Mais tous les types de PAC ne sont pas adaptés à l'automobile.

Les piles alcalines à potasse ont été développées pour le secteur spatial (AFC). Celles à l'acide phosphorique (PAFC) semblent limitées dans leurs applications. Il existe également des piles à carbonates fondus (MCFC) utilisées à ce jour pour produire, en stationnaire, de l'électricité et de la chaleur (pile GDF à Chelles).

Les piles à méthanol direct (DMFC) sont des piles dont la puissance et le carburant sont plus adaptés aux utilisations portables comme les téléphones et les ordinateurs.

Les piles à oxydes solides (SOFC) semblent très intéressantes. Elles fonctionnent à haute température (plusieurs centaines de degrés) et dégagent une forte puissance. Elles semblent adaptées à la cogénération d'électricité et de chaleur pour les applications stationnaires (logement, chauffage) et maritimes. Elles peuvent être alimentées aussi bien par du méthane, du méthanol, du biogaz ou du charbon gazéifié.

Compte tenu de ces caractéristiques, la plupart des constructeurs automobiles ne poursuivent plus de recherches sur les SOFC, ils considèrent que les contraintes - notamment la température - l'emportent sur les avantages.

Vos rapporteurs ont néanmoins constaté que des travaux étaient poursuivis par BMW et par Delphi.

L'alimentation électrique des voitures est aujourd'hui un sujet de préoccupation pour les constructeurs et les équipementiers. Les instruments et équipements consomment toujours plus de puissance sans que les performances des batteries installées à bord n'aient progressé. Même à bord de la Toyota Prius, une batterie 12 V alimente les équipements. Dès lors plutôt que d'installer deux batteries de 12 V comme sur certains modèles de prestige, ou de passer au 42 V, il est envisagé d'installer à bord un générateur auxiliaire (auxiliary power unit - APU). Cet APU serait en fait une SOFC de 4 à 8 kW.

· Les blocages technologiques et économiques

Aujourd'hui des blocages techniques et économiques51(*) empêchent de pouvoir mettre en place une production de masse et de rendre disponible cette technologie pour le grand public. De longues années de recherche sont encore nécessaires sur les différents éléments de la pile.

L'un des premiers obstacles est l'efficacité des membranes.

La membrane joue le rôle essentiel d'électrolyte52(*). Presque toutes les PEM fonctionnent avec une membrane polymère perfluorosulfonée, le Nafion ® de Du Pont. Cette membrane doit à la fois séparer les éléments de la pile et être conductrice tout en étant très stable chimiquement, très fine et très solide. On estime habituellement qu'une surface totale de 10 à 20 m2 est nécessaire à la construction d'une pile destinée à propulser une automobile.

Ce type de membrane pose de nombreuses difficultés que les chercheurs tentent de résoudre en raison de l'insuffisance des performances du Nafion ® et de son prix (500 €/m2). Elle est limitée en température (80 °C) car elle doit rester parfaitement hydratée, alors qu'il serait souhaitable de porter la température de fonctionnement à 160-180 °C pour accélérer la réaction et éviter l'empoisonnement du catalyseur par le monoxyde de carbone. L'augmentation de la température de fonctionnement est aussi un objectif pour faciliter le refroidissement. En effet, il est difficile de refroidir une pile à 80 °C. Un très grand radiateur est nécessaire, voire des ventilateurs, ce qui est un handicap dans la conception du véhicule.

Pour l'instant dominante, cette technologie pourrait être remplacée par une membrane à base de polymère hydrocarboné. Ce type de membrane serait moins cher (150 contre 500 €/m2) et plus performant. L'un des principaux fabricants est une start up californienne, PolyFuel. Cette membrane est plus mince (un film de cellophane), supporte des températures plus élevées (95°C au lieu de 80), et produirait 10 à 15 % d'électricité en plus. Cette performance est due à l'assemblage de polymère très conducteur avec du polymère organique rigide qui renforce la structure mais n'est pas conducteur. Honda a adopté ce type de membrane sur la FCX ; 20 exemplaires sont en service dans des sociétés ou des administrations au Japon. Une entreprise britannique, ITM Power, vient par ailleurs de mettre au point une membrane en polymère d'hydrocarbure adaptée pour les PEMFC fonctionnant au méthanol. Elle serait trois fois plus conductrice que le Nafion® et près de 100 fois moins chère. Le CEA et le CNRS travaillent, eux, sur des membranes à base de polyamide sulfoné.

Le catalyseur est un second point bloquant.

Aujourd'hui, seul le platine est véritablement efficace. Or, la rareté de ce métal et son coût (supérieur à 1 000 $/once à New York en janvier 2006. L'once d'or valait entre 500 et 600 $ l'once) empêchent la généralisation d'une telle technologie. Entre 50 et 100g de platine sont nécessaires pour le fonctionnement d'une PAC. Dans ces conditions, la seule généralisation de cette technologie au marché automobile français équivaudrait à la consommation mondiale actuelle de ce métal. De plus, les gisements sont peu répandus dans le monde. 90 % de la production est assurée par deux pays : l'Afrique du Sud (75 %) et la Russie (15 %). La dépendance pétrolière serait donc remplacée par une dépendance vis-à-vis du platine.

Il faut donc réussir soit à en diminuer très fortement les quantités (division par 10), soit à trouver un autre matériau sans pour autant augmenter la production de peroxyde d'hydrogène ou de monoxyde de carbone, nocifs pour la membrane ou le catalyseur et qui réduisent la durée de vie de l'ensemble.

L'une des solutions est la mise au point de membranes nanotexturées qui augmentent la surface d'échange. Une autre solution est d'utiliser des métaux non précieux, tels le chrome ou le cobalt ou des alliages (catalyseurs trimétalliques mais fonctionnant à des températures supérieures à 100 °C). Des travaux sont aussi menés au CEA sur les catalyseurs enzymatiques.

Les plaques bipolaires constituent l'interface entre le coeur de la cellule électrochimique élémentaire et le système, l'isolant des cellules élémentaires entre elles et un élément déterminant de l'architecture de la pile (dimension, poids...). Elles assurent l'alimentation en gaz, l'évacuation de l'eau et la collecte du courant. Les plaques en graphite sont pour l'instant les plus performantes mais elles sont chères (1 €/cm2).

Là aussi d'importants travaux sont menés. Le CEA Grenoble a réussi à diviser par 3 la masse et le volume, et par 100 le coût potentiel des plaques en utilisant des tôles métalliques embouties. Les plaques en composites organiques moulés pourraient offrir des perspectives intéressantes mais les recherches ne sont pas encore assez avancées.

Il est aussi question de remplacer les structures à canaux par des mousses métalliques à pores ouverts. La surface en contact serait supérieure à 90 % au lieu de 60 ou 70 %. Mais les mousses de nickel ou chrome-nickel sont encore trop sensibles à la corrosion (quelques dizaines d'heures de fonctionnement).

Un autre sujet de préoccupation pour les constructeurs est la résistance au froid. L'eau présente dans la pile risque de geler dès que la température et négative, ce qui pose des problèmes dans de nombreux pays du monde constituant les principaux marché automobiles (Amérique du Nord, Japon, Allemagne...). Vos rapporteurs ont pu le constater. Honda semble avoir fait des progrès spectaculaires en la matière puisque son modèle FCX est normalement à même de fonctionner jusqu'à - 20 °C. Dans les usages stationnaires, des progrès très significatifs ont également été accomplis. Ainsi, une pile Axane, société filiale d'Air Liquide, a été utilisée par Jean-Louis Etienne au cours de son expédition sur la banquise du pôle Nord.

* 51 Le coût d'une pile serait aujourd'hui de 6000 à 8000 €/kW alors que les prix du marché pour le stationnaire sont entre 750 et 1500 €/kW, de 150 €/kW dans les transports en commun et de 30 à 50 €/kW pour les véhicules individuels. Cf. Clefs CEA n°50/51 p.66.

* 52 Un électrolyte est une substance qui permet la dissociation, en présence d'eau, d'un élément en ions chargés négativement et positivement.