Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l ... - CEA

More documents

Recommendations

Info

Plaquette de silicium. D. Sarraute/CEA II. DES MATÉRIAUX DÉDIÉS AUX NOUVELLES TECHNOLOGIES POUR L’ÉNERGIE La France revisite sa stratégie énergétique en fonction des préoccupations liées à la sécurité des approvisionnements et aux effets du changement climatique. Les nouvelles technologies de l’énergie (NTE) laissent entrevoir des modalités de production et de consommation très prometteuses en développant des procédés déjà en place ou en déployant de nouveaux vecteurs énergétiques comme l’hydrogène. Dans ce contexte, le CEA s’implique fortement dans les domaines du transport électrique et de l’énergie solaire en relevant une série de défis dans le domaine des matériaux. Parmi les projets phare, figure l’électrification de la chaîne de traction des automobiles à partir de batteries d’accumulateurs performantes ou de piles à combustibles fonctionnant à l’hydrogène–projet qui appelle le développement de moyens de production et de stockage de l’hydrogène. En matière de stockage de l’électricité, la technologie Li-ion offre les meilleures performances actuelles qui restent néanmoins à optimiser en termes de puissance et de densité d’énergie pour l’application transport terrestre. D’où l’émergence de nouveaux matériaux, destinés aux électrodes et à l’électrolyte, capables de respecter des contraintes fortes en coût et en sécurité. Par ailleurs, la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène via la pile à combustible basse température à membrane échangeuse de protons (PEMFC) met en œuvre de nombreux mécanismes de transferts au sein d’une palette de matériaux différents. Le déploiement de ces systèmes complexes dans le transport nécessite le développement de matériaux innovants en tant que catalyseur ou comme élément du système membrane/couche active/couche de diffusion, constituant le cœur de la pile–ces matériaux permettront de baisser les coûts et d’augmenter la durée de vie de la pile. Enfin, le CEA développe un composite à fibre, avec un liner polymère capable d’assurer l’étanchéité de réservoirs destinés au stockage de l’hydrogène sous forme de gaz pressurisé et fonctionnant sous 700bars d’hydrogène. Se pose encore la question de la production d’hydrogène à partir d’un électrolyseur de vapeur d’eau à haute température (EHT), système provoquant la dissociation de la molécule d’eau par un apport combiné de chaleur et d’électricité. L’empilement de cœurs en céramique et de plaques métalliques fonctionnant à haute température subit des contraintes thermomécaniques et des phénomènes de corrosion appelant des recherches pointues sur les matériaux le composant. Enfin, en matière d’énergie solaire, le CEA développe des recherches aussi bien dans le domaine thermique (conversion de la lumière en chaleur) que photovoltaïque (conversion de la lumière en électricité) où les enjeux sont plus marqués et qui seront seuls décrits ici. Aujourd’hui, les technologies dédiées à chaque type de cellule photovoltaïque présentent différents degrés de maturité et s’adressent à des marchés variant en fonction de leurs performances (rendement de conversion) et de leur coût. Le CEA s’est engagé à soutenir l’effort français de diversification énergétique destiné à assurer la pérennité de nos approvisionnements. Environ 250 chercheurs, ingénieurs, techniciens du Liten, en collaboration avec tous les autres pôles du CEA, s’investissent dans ces programmes de R&D. > Hélène Burlet Institut Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) Direction de la recherche technologique CEA Centre de Grenoble CLEFS CEA - N° 59 - ÉTÉ 2010 51
Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie La pile à combustible PEMFC : une solution très crédible Destinées prioritairement aux applications embarquées, notamment l’automobile, les piles à combustible PEMFC doivent diminuer leur coût et leur encombrement tout en augmentant leur durabilité et leurs performances dans un contexte de forte concurrence internationale. Le défi vaut d’être relevé car, dans la conjoncture actuelle de diversification des sources d’énergies primaires propres, les piles à combustible PEMFC offrent une solution très crédible. Pile à combustible Genepac (pour générateur électrique à pile à combustible) développée par le CEA, en partenariat avec Peugeot-PSA, pour une prochaine utilisation dans l’automobile. P. Stroppa / CEA É laboré par Sir William Grove dès 1839, le principe de fonctionnement de la pile à combustible restera un dispositif de laboratoire jusque dans les années 1960. Sortie de l’oubli par le dévelop pement des programmes spatiaux qui l’utilisent comme générateur d’énergie électrique, elle s’inscrit aujourd’hui comme une solution efficace dans les politiques mises en œuvre pour la réduction des gaz à effet de serre et pour développer les énergies alternatives au pétrole, au gaz naturel et au charbon. Cinq principaux types de piles à combustible occupent actuellement le marché dont la PEMFC (pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Il s’agit d’une pile à membrane échangeuse de protons, plus particulièrement dédiée aux véhicules électriques et à l’électronique domestique. Un système multiéchelle, multiphysique et multimatériaux Dans son principe, la pile à combustible PEMFC se définit comme un dispositif électrochimique capable de convertir, en énergie électrique, l’énergie chimique contenue dans l’hydrogène et l’oxygène (figure 1). Outre cette fourniture d’électricité, ce type de pile offre comme second avantage de ne produire rien d’autre que de la chaleur et de l’eau. Il s’agit donc d’un système de conversion non polluant, offrant une alternative sérieuse aux moteurs thermiques actuels. Dans sa configuration, la pile à combustible PEMFC se présente comme un empilement de cellules élémentaires (figure 2), constituées elles-mêmes d’un électrolyte et de deux électrodes : une anode et une cathode alimentées en gaz réactifs par des distributeurs, soit poreux (mousses), soit à canaux (plaques métalliques embouties ou composite graphite/polymère). • L’électrolyte se compose d’une membrane polymère dont le rôle est double : d’une part, assurer le transport des protons entre l’anode et la cathode dans lesquelles se situent respectivement les réactions d’oxydation de l’hydrogène et de réduction de l’oxygène ; d’autre part, éviter les transferts électriques et gazeux entre l’anode et la cathode. À l’heure actuelle, les matériaux les plus performants sont des polymères qui nécessitent néanmoins d’être suffisamment hydratés pour jouer leur rôle de conducteurs protoniques ; de plus, ils ne peuvent fonctionner au-delà de 100 °C. • Les électrodes, quant à elles, utilisent deux composants. D’abord, une couche active dans laquelle se produisent les réactions électrochimiques, constituée de grains de carbone (pour assurer le transfert 52 CLEFS CEA - N° 59 - ÉTÉ 2010
Page 1: 50 CLEFS CEA - N° 59 - ÉTÉ 2010
Page 5 and 6: Des matériaux dédiés aux nouvell

Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l ... - CEA

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?