Véhicules à hydrogène et nouveau matériau purifiant le gaz de leur pile à combustible

La technologie faisant l’objet du présent article est celle des véhicules à hydrogène fonctionnant avec une pile à combustible. La Chine n’est pas en reste dans ce domaine et entend accroître sa part de marché mondiale, conformément aux objectifs du 13^ème Plan Quinquennal chinois concernant la mobilité hydrogène. Le développement des véhicules à hydrogène est particulièrement marqué dans le secteur des véhicules lourds tels que les camions, les bus et même les trains. L’accord entre Air Liquide et la start-up chinoise STNE (Shanghai Sinotran New Energy Automobile Operation Co., Ltd), qui a pour but de constituer une flotte de camions à hydrogène, montre bien l’intérêt grandissant pour ce type de technologie. Leurs prévisions sont plutôt ambitieuses pour 2020 : passer d’une flotte de 500 camions ravitaillés par une station à hydrogène à une flotte de 7500 camions ravitaillés par 25 stations.

Les véhicules à hydrogène sont maintenant en plein développement et, bien que cette technologie présente de multiples avantages, elle possède des inconvénients qui ne la rendent pas entièrement écologique. Un des principaux avantages des véhicules à hydrogène est qu’ils n’émettent pas de gaz à effet de serre puisque la réaction chimique mise en jeu ne produit que de l’eau. De plus, ils réduiraient drastiquement la pollution des agglomérations, tant sur le plan des particules émises que sur celui de la pollution sonore. Rappelons au passage que la pile à combustible alimente un moteur électrique silencieux. Un dernier avantage que l’on peut citer est l’autonomie relativement élevée de ces véhicules qui peut atteindre généralement près de 500 km. Néanmoins, on peut émettre quelques réserves sur ce type de véhicule. Un problème important est le réseau de station à hydrogène qui est, actuellement, très limité. De plus, la production d’hydrogène, très énergivore, n’est pas décarbonée et repose encore largement sur la transformation d’hydrocarbures fossiles. Par ailleurs, la formation de dihydrogène par le reformage du gaz naturel a une incidence sur les matériaux des piles à combustible à membrane d’échange de protons (PEMFC) utilisés dans ces véhicules. En effet, le mélange gazeux obtenu lorsque le dihydrogène est formé par reformage n’est pas pur et contient environ 1% de monoxyde de carbone (CO). Or, le monoxyde de carbone est connu pour sa capacité à empoisonner les électrodes en platine des piles à combustible, ce qui entraine une diminution de la durée de vie de tout le système de production d’énergie du véhicule.

Différents procédés existent donc pour retirer/faire réagir le monoxyde de carbone (CO) afin de purifier le gaz avant que celui-ci ne soit en contact avec la pile à combustible :

• l’adsorption par inversion de pression (PSA : Pressure Swing Adsorption) qui est basée sur l’adsorption sélective des impuretés, dans le cas présent le monoxyde de carbone CO ;
• la méthanisation du monoxyde de carbone (CO + 3 H₂ -> CH₄ +H₂O), qui doit être précédée d’une étape d’élimination du CO₂ ;
• le procédé PROX : oxydation préférentielle du CO dans le dihydrogène mettant en jeu la réaction suivante : CO + ½ O₂ -> CO₂.

Six laboratoires de Hefei et un laboratoire suédois ont travaillé conjointement afin d’obtenir de nouveaux catalyseurs pour le procédé PROX. En effet, un avantage de ce procédé est qu’il peut permettre de réaliser dans les véhicules la purification du gaz. Leurs travaux portent sur l’obtention de nouveaux matériaux qui permettent de convertir le monoxyde de carbone (CO) sur la gamme de température d’utilisation de la pile à combustible. Le challenge que représente ce travail est de réussir à convertir le CO sans oxyder le dihydrogène (H₂ + ½ O₂ -> H₂O) qui doit réagir ultérieurement pour produire de l’électricité. Les chercheurs de cette étude ont réussi à synthétiser un nouveau catalyseur (constitué de fer/platine/silice) pouvant convertir sélectivement le monoxyde de carbone CO sur une gamme de température beaucoup plus large (-75 °C et 105 °C) que les travaux précédents portant sur le procédé PROX. Cette gamme de température est donc compatible avec les températures de fonctionnement des piles à combustible à membrane échangeuses d’ions des véhicules fonctionnant au dihydrogène. Les résultats de ces travaux ont abouti à la publication d’un article dans la revue Nature le 31 janvier 2019. Une question peut se poser à la lecture de cet article : le procédé complexe de synthèse de ces catalyseurs peut-il être réalisé à l’échelle industrielle ?

Pour plus d’informations :
http://www.afhypac.org/newsletter/80/l-asie-orientale-tire-le-marche-de-l-hydrogene-255/
https://fr.media.airliquide.com/actualites/chine-air-liquide-et-la-start-up-stne-signent-un-accord-pour-le-developpement-de-la-mobilite-hydrogene-e4f8-1ba6d.html
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0869-5#MOESM1

Rédaction :
Benjamin Abensour, chargé de mission au service pour la science et la technologie du consulat général de France à Chengdu, benjamin.abensour[at]diplomatie.gouv.fr
Marie-Laure Tarot, chargée de mission au service pour la science et la technologie de l’ambassade de France à Pékin, marie-laure.tarot[at]diplomatie.gouv.fr