[Pépite à suivre] Une pile à combustible réversible

Réversible et dotée d’une durée de vie plus longue … la pile à combustible conçue dans un laboratoire des Mines ParisTech sous l’égide d’Alain Thorel, directeur de recherche au Centre des matériaux des Mines ParisTech, présente les aspects d’une véritable technologie de rupture, particulièrement adaptée au stockage des énergies renouvelables. Reste à en faire un produit industriel. La start-up qui sera chargée de la faire, Rigel, présente l’innovation le jeudi 6 juillet lors du ParisTech Research Day, organisé par l'école des Mines ParisTech à l'occasion du cinquantenaire de la création de sa structure dédiée à la recherche partenariale, Armines.

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[Pépite à suivre] Une pile à combustible réversible

Une pile à combustible réversible d’un nouveau type a été conçue dans un laboratoire du Centre des Matériaux de Mines ParisTech. Les piles à combustibles reposent sur un fonctionnement appréhendé depuis plus de 150 ans, mais dont l’utilisation à échelle industrielle n’arrive qu'aujourd'hui à maturité.

Leur principe? Mettez de l’oxygène dans un compartiment d’une part, de l’hydrogène dans un autre compartiment d’autre part. Séparez les deux chambres par une membrane avec un électrolyte capable de laisser circuler les protons (H+). Placez une électrode dans l’un et l’autre compartiment (une anode et une cathode) et reliez-les. Vous allez obtenir un dispositif capable de fournir de l’électricité par recombinaison de l’oxygène et d’hydrogène en eau. Résultat : un système qui produit de l’électricité qui a pour seul déchet l’eau. Des variantes existent. Elles aboutissent au même résultat. Ce peut être l’anion O2- qui migre vers le compartiment d’hydrogène ou l’eau est alors créée. La réaction inverse permet de produire de l’hydrogène à partir d’électricité et d’eau grâce à un appareil qu'on appelle alors électrolyseur.

Pas si compliqué. Mais si l’on regarde dans les détails, les piles à combustibles souffrent encore de nombreux défauts. En présence d’oxygène et d’eau, ou d’hydrogène et d’eau, cathode ou anode s’abiment, ce qui altère alors rapidement leur durée de vie. Il est en outre difficile de rendre réversible un même appareil en pile à combustible ou en électrolyseur : la réaction n’est pas symétrique.

Alain Thorel, directeur de recherche au Centre des matériaux des Mines ParisTech croit avoir trouvé la solution. « Nous proposons d’utiliser la conduction mixte, » expose-t-il. « L’eau n’apparaît plus dans l’un ou l’autre des compartiments, mais dans un troisième compartiment, au milieu. Elle n’est ainsi plus en contact avec l’une ou l’autre des électrodes ». Innovante, cette idée est associée à de nombreux avantages. Il est possible de rendre réversible le système. Les électrodes sont moins altérées et il est alors possible d'accentuer le caractère microporeux de leur structure. Enfin, lorsque les différentes cellules de base sont assemblées, les interconnecteurs entre cellules n’ont plus lieu d’être aussi sophistiqués, et coûteux.

Comment peut-on expliquer que personne n'y ait songé? Cela fait pourtant 40 ans que des recherches sont menées sur ces systèmes. « Il suffisait d’y penser. Cela vient sûrement du fait que je n’étais pas spécialiste de la question, je suis chercheur en céramique » avance Alain Thorel. « Assez souvent d’ailleurs, la rupture vient d’un changement de paradigme. » Fort de ce concept, Alain Thorel et son équipe ont déposé un premier brevet en 2005, puis ont pu participer à un projet de recherche européen, de 2008 à 2011, sans pour autant encore atteindre un niveau de performance suffisant. Il y a un an et demi, le concept a trouvé un nouvel essor grâce à l’intérêt d’investisseurs sud-africains. Cette pile à combustible de nouvelle génération va faire l’objet de la création d’une start-up : Rigel. Premier objectif : créer un prototype de pile à combustible de 1 kW. Viendra ensuite le temps de penser à la commercialisation.

Pour les applications, Alain Thorel pense aux énergies renouvelables. « La technologie me parait très adaptée, car réversible. On peut l’utiliser pendant la journée pour faire l’électrolyse de l’eau, [et ainsi stocker l’électricité produite en la transformant sous forme d’hydrogène, NDLR], et la nuit produire de l’électricité et de l’eau –potable - à partir de l’hydrogène [l’oxygène est directement pris dans l’atmosphère]. »

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