Piles à hydrogène sans platine : l'immense défi de la stabilité

A l’université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) basée en Australie à Sydney, des chercheurs ont mis au point une méthodologie pour analyser la stabilité des piles à combustible. Et ce, avec l’objectif de beaucoup moins recourir aux matériaux critiques, dont le platine.
 
En Australie aussi, la mobilité hydrogène est vue comme un moyen de mettre un terme aux produits pétroliers tout en conservant un de leurs avantages sur les véhicules électriques à batterie : réaliser le plein des réservoirs en seulement quelques minutes. Toutefois, les projections d’un développement massif des architectures à pile hydrogène se heurtent en particulier à un obstacle de taille : l’emploi du platine comme catalyseur.
 
De façon classique, le système reçoit de l’hydrogène au niveau de l’anode et de l’oxygène en cathode. C’est grâce au catalyseur, et donc de façon courante au platine, que vont se déclencher deux réactions. La première permet de diviser l’hydrogène en protons et en électrons, alors que de l’autre côté de la pile se déroule une oxydation de l’oxygène. Les trois éléments vont réagir au niveau de la cathode pour produire de l’électricité ainsi que de l’eau.

Remplacer le platine

Formant la couche intermédiaire dans les piles à combustible, le platine est apprécié pour sa stabilité. Mais il coûte cher en raison d’une faible disponibilité, notamment au regard du nombre de véhicules qui pourraient être équipés de ces systèmes à l’échelle mondiale.
 
Les chercheurs de l’université de Sydney avancent dans leur communiqué de presse du 11 août un prix du kilogramme qui oscille entre 45 000 et 100 000 dollars australiens, soit de 26 500 à 59 000 euros environ au cours du lundi 21 août 2023. D’où la nécessité de trouver un autre catalyseur.
 
Le candidat tout trouvé serait un matériau carboné dopé au fer et contenant de l’azote (Fe-N-C), en raison de sa très grande disponibilité qui se traduit par un prix de l’ordre de 6 centimes d’euro le kilo. Super ! Où est le problème alors ? Dans la stabilité du système justement. Quand il est possible de compter sur 40 000 heures de fonctionnement avec le platine, son challengeur est la cause d’un écroulement dans les 300 heures au mieux. Qui voudrait dans son véhicule d’une pile à combustible usée un moins de quinze jours ?


 

Une nouvelle méthodologie

Les scientifiques de l’UNSW ne comptent cependant pas baisser les bras pour autant. Ils dénoncent avant tout la lenteur à mettre au point un nouveau catalyseur à base de fer, azote et carbone. Jusqu’à un an est nécessaire, sans compter la durée souvent plus longue pour étudier et expliquer le processus de dégradation. Ce qui ne pouvait en plus se faire qu’en employant un matériel coûteux et peu répandu.
 
C’est pourquoi des chercheurs s’activent à mettre en place un autre scénario pour analyser la stabilité des piles à combustible. Ils sont emportés par un trio de l’école de chimie de l’université, composé de Shiyang Liu, Quentin Meyer et du professeur Chuan Zhao. Ce dernier assure : « Le platine sera toujours cher, car il n’y en a pas beaucoup. Nous devons donc explorer des alternatives, tout en fournissant un moyen rapide et facile de mesurer l’efficacité de nouveaux matériaux dans les piles à combustible à hydrogène ».
 
La nouvelle méthodologie imaginée par cette équipe a déjà fait l’objet d’une publication dans la revue Energy & Environmental Science.
 

A disposition des autres laboratoires

C’est un ensemble de trois méthodes déjà validées que l’université de Nouvelle-Galles du Sud compte exploiter pour déterminer rapidement la stabilité de nouvelles piles à combustible sans platine. Il permettra aussi et surtout de comprendre les résultats obtenus. Ce qui est nécessaires afin de modifier au plus vite la composition du catalyseur de substitution. Ils ont, par exemple, observé une inactivité qui intervient dans les dix premières heures au niveau du fer, conduisant ensuite à une corrosion du carbone. Ce second mécanisme devient même alors prédominant dans la fin de vie des piles à catalyseur Fe-N-C. L’idée est donc de trouver un matériau plus stable qui devrait également avoir pour effet positif de reculer la corrosion du carbone.
 
L’équipe du professeur Zhao espère que les scientifiques d’autres laboratoires voudront bien adopter la nouvelle approche, les progrès obtenus par les uns pouvant faire avancer rapidement les travaux des autres. Le tout permettra de créer un cercle vertueux de baisse des prix des piles à hydrogène, d’abord en raison de l’emploi d’un catalyseur puis du fait de la production en masse des Pac H2.