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Success stories de projets - À la poursuite de piles à combustible moins coûteuses

Des chercheurs européens travaillent à mettre au point des membranes moins coûteuses pour les piles à combustibles. Ces membranes sont en effet un composant onéreux de cette technologie en croissance rapide.

Énergie

Il est essentiel d'en réduire les coûts. Pour les scientifiques et les économistes, la pile à combustible à hydrogène est l'un des meilleurs candidats au remplacement des combustibles fossiles dans les automobiles. Mais tant que la technologie reste coûteuse, il est peu probable que l'évolution soit possible. Actuellement, la technologie la plus en vue est celle des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC pour Proton exchange membrane fuel cells). C'est l'une des moins onéreuses, mais bien que les coûts aient énormément diminué depuis la première utilisation des piles à combustible lors du programme Gemini de la NASA dans les années 60, elle reste hors de portée de la fabrication en masse. La membrane échangeuse de protons (MEP) est au coeur de ces piles à combustible. Elles peuvent utiliser d'autres carburants, comme le gasoil, mais l'hydrogène est le plus souvent envisagé. Voici comment elles fonctionnent. L'hydrogène est l'élément le plus courant dans l'univers. Un atome d'hydrogène (symbole H) se compose uniquement d'un électron et d'un proton (aucun neutron). Dans une pile à combustible, la molécule d'hydrogène (H2) est séparée au niveau de l'anode en deux protons (2H+) et deux électrons (2e-). La membrane laisse passer les ions positifs (donc les protons H+) mais pas les électrons. Alors que les protons passent à travers la membrane pour atteindre la cathode, les électrons doivent pour cela passer par un circuit externe. Leur passage dans ce circuit crée un courant. Lorsque les protons et les électrons se retrouvent à la cathode, ils réagissent avec de l'oxygène pour donner de l'eau. Le projet Flupol («Fuel cell membranes based on functional fluoropolymers») financé par l'UE s'est attaché à créer des membranes en fluoropolymères (des polymères présentant de nombreuses liaisons carbone-fluor). La tâche n'est pas triviale, car les membranes MEP doivent satisfaire une liste interminable de critères de performance. Justyna Walkowiak, chercheuse principale du projet Flupol, confirme qu'il est très délicat de concevoir de nouveaux matériaux, car on ne peut se focaliser sur une seule catégorie de propriétés: «Les membranes doivent présenter une conductivité élevée pour les protons mais nulle pour les électrons, être peu perméables au combustible et à l'oxydant, laisser passer très peu d'eau par diffusion ou électro-osmose, être stables face à l'oxydation et à l'hydrolyse, avoir de bonnes propriétés mécaniques et un faible coût, et supporter les processus de fabrication des électrodes». Actuellement, le summum en la matière est représenté par le Nafion, une membrane fabriquée par DuPont. Ce produit commercial est utilisé dans les automobiles et divers équipements et appareils portables. D'autres marques de membranes sont également disponibles, avec une conception similaire: toutes sont des polymères. Les polymères sont des assemblages de molécules de base identiques, les monomères. Ceux-ci sont des atomes ou des molécules susceptibles de s'associer par des liaisons chimiques pour former de longues chaînes. Le glucose est le plus courant des monomères naturels, et il forme des polymères comme la cellulose ou l'amidon. Les polymères, naturels ou synthétiques, se comptent par millions. Toutes les membranes actuellement disponibles utilisent deux ou trois monomères de la même famille, et toutes sont d'un type de fluorocarbone ou d'un autre. Flupol a décidé d'étudier les polymères aromatiques fluorés. En chimie organique, la notion de composé aromatique indique la présence de cycles aromatiques dans la structure chimique. Ces cycles résultent de la façon dont les atomes se lient les uns aux autres. Le coût! «Nous sommes partis du principe que les composés aromatiques peuvent être transformés après la polymérisation, nous permettant ainsi de changer les propriétés du polymère après sa synthèse», confie Mlle Walkowiak. «Nous pensions que la modification des propriétés après la polymérisation pouvait s'avérer moins coûteuse. Pour le moment ce n'est pas bon marché, mais nous pensons qu'il reste de la marge pour réduire ces coûts.» Mlle Walkowiak trouve que les deux années allouées au projet Flupol étaient bien courtes pour un sujet aussi vaste, mais qu'il s'est néanmoins traduit par des résultats solides et de belles perspectives. Tout d'abord, Mlle Walkowiak a mis au point une nouvelle méthode de préparation, plus économique, pour une importante catégorie de monomères, celle des styréniques monofluorés. C'était un bon résultat dans un domaine difficile. En chimie des polymères, les scientifiques commencent par étudier si le composé est capable de s'auto-polymériser. C'est ce que l'on appelle l'homopolymérisation. «Si cette option n'aboutit pas, il faut étudier l'utilisation de deux monomères pour faire de la copolymérisation», poursuit-elle. Et en cas de nouvel échec, il reste encore la «copolymérisation assistée par termonomère» (ou terpolymérisation) en utilisant trois monomères, l'un agissant comme couple actif pour relier les deux autres. On commence par polymériser le couple actif avec le premier monomère, puis on incorpore le troisième pour donner les propriétés souhaitées au produit final. L'innovation de Mlle Walkowiak a été de trouver une méthode de terpolymérisation pour préparer des monomères styréniques monofluorés. Ensuite, le projet a trouvé comment contrôler un problème courant entre certains monomères et le styrène, un composé très important en science des polymères. C'est ainsi que les deux monomères FMST et TFMST peuvent s'associer au styrène, mais que le premier ralentit la réaction de liaison entre les molécules. Les conséquences sont coûteuses. D'abord, le processus dure plus longtemps. Ensuite, les chaînes de monomères sont plus courtes, conduisant à une moindre quantité de produit fini. Pour certains de ces produits, ces deux inconvénients peuvent se traduire par un surcoût très élevé. Mlle Walkowiak a trouvé comment atténuer l'effet ralentisseur du FMST, en l'associant avec du TFMST: «Le FMST ralentit toujours la réaction, mais dans une moindre mesure». Enfin, elle a conçu une nouvelle méthode de polymérisation contrôlée: «Lors des réactions classiques de polymérisation à radicaux libres, comme pour le polystyrène, on tend à perdre le contrôle. L'une des conséquences est un degré élevé de ramification. En outre, la terminaison se fait au hasard lorsque deux chaînes se rencontrent, aussi il est impossible de contrôler leur longueur. Mais en utilisant des agents de transfert de chaîne, les ATC, on obtient un certain contrôle.» «Le point important est d'utiliser les bons ATC. Mes travaux ont conduit à découvrir les ATC requis pour produire des copolymères contenant du styrène et du styrène fluoré. De tels copolymères n'avaient encore jamais été synthétisés, c'est donc quelque chose de totalement nouveau.» Ces copolymères disposent de propriétés réellement intéressantes, mais que les chercheurs n'ont pas encore la liberté d'évoquer. «Le développement de ces matériaux est en cours et les résultats sont prometteurs. Leurs propriétés pourraient s'avérer très intéressantes, notamment en matière de stabilité», confirme-t-elle. Mlle Walkowiak révèlera néanmoins que l'étape critique est l'introduction des éléments fluorés dans le copolymère. Dans l'ensemble, les résultats sont impressionnants et améliorent tant notre compréhension des polymères aromatiques fluorés que leurs applications potentielles dans le domaine des piles à combustible. Comme c'est souvent le cas dans cette discipline scientifique, ils pourraient avoir d'autres avantages inattendus. Le projet Flupol a été financé via le programme Marie Curie du septième programme-cadre de l'UE pour la recherche.