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Réduire le coût des piles à combustible pour révolutionner l’industrie automobile

INRS et Canetique coursent pour des autos vertes
10 septembre 2012 // par François-Nicolas Pelletier

Tous les fabricants automobiles cherchent à passer à la vitesse supérieure sur le plan environnemental, que ce soit en optimisant le moteur à combustion ou en développant de nouvelles technologies comme les systèmes de propulsion hybrides, les moteurs électriques et les piles à combustible. Dans cette course, les chercheurs du groupe de Jean-Pol Dodelet du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS ainsi qu’Eric Proietti et Michel Lefèvre d’Électrocatalyse Canetique, estiment posséder une carte maîtresse : un catalyseur moléculaire à base de fer pour les piles à combustible. Ce dernier réduirait considérablement leur coût de fabrication en permettant aux fabricants de se libérer du métal principalement utilisé pour ce type de piles, le platine, qui est rare et onéreux.

 

À l’œil nu, le catalyseur à base de fer concocté par cette équipe de chercheurs n’a rien d’impressionnant : une simple poudre noire qu’on intègre à une mince couche de papier carbone pour en faire une électrode, elle-même insérée dans la pile à combustible.

 

C’est grâce à une combinaison d’hydrogène ou de carburants qui en contiennent et de l’oxygène présent dans l’air que les piles à combustible transforment l’énergie chimique en énergie électrique. Anodin en apparence, le catalyseur est une composante essentielle de la pile, car il déclenche la réaction qui produit le courant électrique. Dans les piles à combustible actuelles, le catalyseur est fabriqué en platine. D’après les évaluations du Département américain de l’énergie, un système de piles à combustible comprenant l’empilement d’un grand nombre de ces électrodes et destiné à une voiture coûterait environ 5 000 $ s’il était produit à l’échelle industrielle. Or, d’après Michel Lefèvre, près du quart du prix de cet empilement est lié au platine qui se trouve dans le catalyseur. « Le platine est le matériau le plus utilisé parce qu’il est très efficace pour provoquer la réaction productrice d’électricité, ajoute Jean-Pol Dodelet. De plus, la pile à combustible est très acide et, habituellement, seuls les métaux nobles tels le platine résistent bien dans ce milieu. »
Catalyseur à base de fer pour les piles à combustibleCatalyseur à base de fer pour les piles à combustible

Mettre fin à toutes les dépendances

Comment abaisser le coût de ces piles qui ont l’énorme avantage de ne rejeter que de la vapeur d’eau? Certains tentent de réduire la quantité de platine utilisée. Jean-Pol Dodelet et ses coéquipiers se sont plutôt lancés sur un chemin plus audacieux : concevoir un catalyseur à base de fer qui résiste à l’acidité tout en dégageant autant d’énergie électrique que celui à base de platine. Le secret? Un mélange composé de sel de fer, d’ammoniac et d’un support de carbone qui subit une pyrolyse, un type de « cuisson » intense sans oxygène.

 

Pourquoi se donner tant de mal? Il y a, bien sûr, la question pécuniaire. « Nous pourrions réduire le coût du catalyseur de façon importante », estime Eric Proietti qui, s’il hésite à donner un chiffre précis, prévoit que l’économie pourrait être de 50 %, voire davantage. Ce serait, en soi, un grand progrès pour les piles à combustible, « mais indépendamment du coût, renchérit Jean-Pol Dodelet, il y a une autre bonne raison pour choisir le fer : il est très abondant sur la planète. Ce n’est pas le cas du platine, pour lequel l’Afrique du Sud et la Russie contrôlent 90 % de la production mondiale. »

 

Pour plusieurs pays, le désir d’adopter des véhicules plus verts est motivé tant par des raisons écologiques que par la volonté de se libérer d’une dépendance aux pays producteurs de pétrole, souvent instables politiquement. Dans ce contexte, quel serait l’intérêt de favoriser des piles à combustible fonctionnant au platine, puisque celles-ci imposeraient une nouvelle dépendance? (Rappelons que les 34 mineurs en grève tués en août 2012 par la police, en Afrique du Sud, travaillaient justement dans une mine de platine.)

 

De gros joueurs intéressés

Le trio de chercheurs ne prêche pas dans le désert puisqu’il vient de recevoir deux subventions : l’une du ministère québécois du Développement économique, de l’Innovation et de l’Exportation, et l'autre du Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada dans le cadre d’une initiative totalisant 1,4 million de dollars. Le troisième partenaire n’est pas des moindres : un constructeur automobile de classe mondiale qui préfère pour l’instant garder l’anonymat. Dans cette compétition technologique, ébruiter sa stratégie pourrait faire perdre la pole position...

 

Eric Proietti et Michel Lefèvre ont fondé leur propre entreprise, Électrocatalyse Canetique, pour commercialiser cette technologie émanant du laboratoire de recherche du professeur Jean-Pol Dodelet. Eric Proietti met de plus à contribution dans le projet son expérience en ingénierie, lui qui a travaillé plus de dix ans chez Bombardier Aéronautique à toutes les étapes de production, de la conception au contrôle de qualité.

Banc test pour les piles à combustibleAnode-cathode-membrane pour piles à combustible

Deux ans pour franchir le fil d'arivée

Les chercheurs ont deux ans pour parvenir à leurs fins – durée de subvention oblige. Il reste un seul problème avec leur technologie : la durabilité – le catalyseur ne reste pas actif assez longtemps pour un usage commercial. Les chercheurs du groupe de Jean-Pol Dodelet et d’Électrocatalyse Canetique ont fait des pas de géant ces dernières années concernant l’activité et la puissance du catalyseur, des résultats qui ont notamment mené à des publications dans Science et Nature Communications, et ils sont confiants d’abattre ce dernier obstacle.

 

Personne ne sait encore quelles seront les technologies environnementales adoptées par les grands constructeurs automobiles. En revanche, les piles à combustible font un retour en force ces dernières années. Signe des temps, neuf acteurs majeurs dans le domaine ont signé une déclaration commune dans laquelle ils s’engagent à commercialiser des voitures à piles à combustible dès 2015. D’ici là, les chercheurs impliqués dans cette course comptent bien avoir perfectionné leur nouveau catalyseur moléculaire à base de fer afin de faire partie de l’écurie gagnante! ♦

 


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Contrat Creative Commons« Des chercheurs de l'INRS et d’Électrocatalyse Canetique créent un catalyseur moléculaire à base de fer : L'INRS et Électrolyse Canetique coursent pour des autos vertes » de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) est mis à disposition selon les termes de la licence Creative Commons Paternité - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada. Les autorisations au-delà du champ de cette licence peuvent être obtenues en contactant la rédaction en chef. © Institut national de la recherche scientifique, 2012 / Tous droits réservés / Photos © Christian Fleury

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