Volkswagen parie sur la pile à combustible haute température

Les perspectives

Par le 25 octobre 2007

Volkswagen a développé de manière autonome un système de piles à combustible haute température. Un système de plus petite taille, plus efficace et moins onéreux.

La Recherche de Volkswagen a développé une pile à combustible haute température (HTFC) unique au monde. Sa conception permet d’élimer les multiples inconvénients liés aux piles à combustible basse température (LTFC).

Une nouvelle membrane haute température et des électrodes spécialement adaptées à cette membrane permettront le développement de systèmes de piles à combustible destinées à l’automobile, plus compacts, plus performants et moins coûteux. La mise en oeuvre concrète de ce type de propulsion devient ainsi plus tangible.

Toutefois, les prévisions de nombreux constructeurs quant à l’utilisation à grande échelle des piles à combustible à l’hydrogène, sur des véhicules de série, ont toujours du, jusqu’à présent, être révisées en raison des impondérables de la recherche scientifique.

1999. La Recherche de Volkswagen initie un programme de développement d’une membrane haute température.

2001. Fin 2001 Volkswagen décide de conduire de manière autonome le développement de la pile à combustible haute température – en commençant par des travaux de recherche fondamentale dans le domaine de la technologie des membranes.

2003. Il y a trois ans, les chercheurs de Volkswagen ont obtenu des résultats significatifs dans le domaine des membranes, mais les électrodes adaptées, clé de la mise en oeuvre, faisaient toujours défaut.

2006. Aujourd’hui, à l’automne 2006, le problème des électrodes et pratiquement résolu. Les résultats sont très prometteurs: Les piles à combustible haute température sont actuellement développées et testées dans le Centre Technologique de Isenbüttel, créé spécifiquement par Volkswagen aux portes du site historique de Wolfsburg et destiné à l’exploration des technologies alternatives de propulsion.

Les perspectives futures pourraient se présenter de la manière suivante :

Vers 2010. Des systèmes de piles à combustible haute température, toujours plus performants, voient le jour ; ils sont de plus en plus perfectionnés et pourront être utilisés en 2010 pour la propulsion des premiers prototypes de recherche.

Vers 2020. Les premiers véhicules Volkswagen équipés d’un système de propulsion alimenté par piles à combustible, et – composante essentielle – financièrement abordable et utilisable de manière quotidienne pourraient faire leur apparition.

VW estime que les piles à combustible basse température (LTFC) principalement utilisées actuellement par les autres constructeurs automobiles, n’ont aucune chance d’être retenues dans le cadre d’une fabrication en série, en raison d’inconvénients liés à leur conception même.

Les piles à combustible basse température fonctionnent avec une température au niveau de la membrane de 80°C environ. Si cette température est dépassée, la performance de la pile à combustible s’amenuise et la pile elle-même est endommagée de manière irréversible.

C’est la raison pour laquelle les piles à combustible basse température imposent aux prototypes automobiles – dans l’optique d’une utilisation similaire à celle des moteurs à combustion – des exigences particulièrement élevées au niveau du système de refroidissement, ce qui implique un coût très important. Par ailleurs, sur un système à basse température, les gaz utilisés, qui sont l’air et l’hydrogène, doivent être humidifiés en permanence.

Dans le cas contraire, la production d’énergie cesse, la pile à combustible est gravement endommagée et le moteur qu’elle doit entraîner s’arrête. Ce dispositif d’humidification est lui aussi encombrant, lourd et coûteux.

La membrane haute température développée par Volkswagen, en relation avec les électrodes de nouvelle conception, peut « fonctionner » à une température allant jusqu’à 160°C avec le même rendement de puissance. Une température moyenne de 120°C est prévue pour l’utilisation automobile, sans humidification additionnelle.

La gestion de l’eau et le système de refroidissement sont par conséquent simplifiés. Ceci entraîne une réduction sensible de l’encombrement, du poids et du coût.

Un aperçu du mode général de fonctionnement des piles à combustible est indispensable afin de bien comprendre les avantages des piles à combustible haute température.

L’élément central de chaque pile – qui pour la production d’énergie sont regroupées en blocs (appelés également empilements ou stacks) – est une membrane échangeuse de protons. Elle se trouve entre l’anode et la cathode. L’hydrogène pénètre du côté de l’anode et l’air du côté de la cathode. Un bloc constitué d’un nombre important de piles produit suffisamment d’énergie pour assurer la motorisation d’un véhicule.

Dans chaque pile, la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène produit de l’eau du côté de la cathode. Ce processus libère de l’énergie. La pile convertit directement l’énergie chimique d’un processus d’oxydation, ce qu’on appelle une combustion « froide », en énergie électrique. Le seul « gaz d’échappement » produit ici est de la propre vapeur d’eau.

L’alimentation de la pile à combustion s’effectue par le réservoir d’hydrogène et une arrivée d’air extérieure. L’énergie électrique produite par la pile – le rendement – est transmise à un ou plusieurs moteurs électriques par l’intermédiaire d’un transformateur et d’un convertisseur du réseau de bord. Le véhicule dispose ainsi d’une motorisation pratiquement silencieuse, et dans tous les cas, non polluante.

Au niveau de l’anode, l’hydrogène se sépare en électrons et en protons. Les protons chargés positivement traversent la membrane en direction de l’autre électrode, la cathode. Les électrons à charge négative rejoignent la cathode en passant par le circuit électrique extérieur.

Cette circulation électrique alimente le moteur électrique du véhicule. Les protons, l’oxygène et les électrons réagissent, du côté de la cathode, en produisant de l’eau qui est en plus grande partie éliminée par l’échappement. Environ 60 % de l’énergie apportée par le vecteur hydrogène est transformé en électricité durant ce processus.

Sur les piles à combustible basse température qui ont été principalement utilisées jusqu’à présent, le transport des protons entre l’anode et la cathode par l’intermédiaire de la membrane s’effectue au travers d’une liaison de courte durée entre les protons et l’eau se trouvant dans la membrane.

Les gaz intervenant dans la réaction, l’hydrogène et l’air, doivent donc être humidifiés en permanence pour que la membrane ne se dessèche pas. Ceci entraîne deux inconvénients majeurs. Comme indiqué précédemment, le température de la membrane ne doit pas dépasser 80°C. Cela signifie une très faible différence de température entre le fluide de refroidissement et l’air ambiant.

Dans ces conditions, la conduite en montagne et l’utilisation d’une remorque sont pratiquement exclues. Pour assurer cependant un refroidissement suffisant, les systèmes de piles à combustible basse température, susceptibles d’être utilisés pour la motorisation des véhicules dans le cadre d’un usage quotidien, nécessitent des radiateurs trois fois plus grands que des moteurs diesel. Et ceci ne prend pas en compte les situations particulières comme la conduite en montagne et les exigences plus élevées en matière de refroidissement qui en découle.

Les véhicules équipés de moteurs à combustion classiques dégagent davantage de chaleur que les véhicules à moteur électrique alimenté par piles à combustible. Dans le cas des premiers, ce dégagement de chaleur peut être évacué dans l’environnement par l’intermédiaire du circuit de refroidissement moteur et par les gaz d’échappement.

Cette possibilité n’existe pas pour les piles à combustion. Compte tenu de leur température de fonctionnement relativement peu élevée, l’évacuation de la chaleur se fait presque exclusivement par l’intermédiaire du système de refroidissement et non pas les gaz d’échappement.

En conséquence, et pour un même rendement, le radiateur du véhicule devra donc évacuer une quantité de chaleur plus de deux fois supérieure. Et ce malgré l’efficacité clairement supérieure des piles à combustible.

Un autre problème se pose : les gaz d’alimentation – hydrogène et air – tendent à dessécher l’électrolyte – les molécules d’eau stockées dans la membrane, ce qui entraînerait une interruption de la production de courant. Un dispositif spécial humidifie donc en permanence les gaz à leur arrivée sur les électrodes.

Ceci implique l’intégration dans les véhicules de systèmes technologiques additionnels complexes et coûteux, qui augmentent également le poids de l’ensemble.

Les problèmes mentionnés précédemment n’existent pas avec la pile à combustible à membrane haute température développée par Volkswagen. Le transfert de protons s’effectue ici en utilisant d’autres électrolytes comme l’acide phosphorique, par exemple, qui présente de bonnes propriétés électrolytiques, similaires à l’eau, avec cependant un point d’ébullition supérieure.

Avantage : l’humidification supplémentaire n’est plus nécessaire. On peut ainsi avoir une élévation de la température de fonctionnement, qui peut atteindre 160°C, sans perte de rendement. La pile à combustible haute température développée par Volkswagen contribue ainsi de manière décisive à la réalisation d’un système moins encombrant, moins cher et plus léger.

En simplifiant, on peut dire que le processus de fabrication d’une membrane haute température s’effectue de la manière suivante : on trempe une pellicule mince (la membrane) dans un bain d’acide phosphorique. L’acide phosphorique l’imprègne en quelques minutes. La membrane est ensuite intégrée dans un empilement de piles à combustible.

Pour cela une plaque de carbone pressée est d’abord placée sur des piles déjà configurées. Les rainures de cette plaque permettront dans une étape ultérieure le passage de l’air. On met ensuite en place un isolant, puis un voile non-tissé en carbone recouvert d’une couche de pâte de platine ayant une activité catalytique, l’électrode à diffusion gazeuse. Elle joue le rôle à la fois de couche de diffusion gazeuse et de cathode.

La membrane imbibée d’acide phosphorique est étalée sur la cathode, suivie d’un isolant et d’une contre électrode en non-tissé qui est utilisée cette fois comme anode. L’hydrogène pénètre par les rainures de la dernière plaque. La face postérieure des plaques accueille le dispositif de refroidissement par eau. Toutes les piles sont ensuite comprimées sous pression pour former un bloc (ou empilement).

Mais ce dispositif posait jusqu’à présent un problème : de l’eau se formait au niveau de la cathode, comme avec la membrane basse température. L’eau pénétrait à l’intérieur de la membrane et diluait l’acide phosphorique, ce qui entraînait à nouveau une interruption de la production électrique.

Toutes les tentatives visant à utiliser dans le domaine automobile des piles à combustible haute température, réalisées à partir des matériaux connus, restaient sans succès. Les équipes de recherche fondamentale de Volkswagen sont parvenues à la conclusion que, outre une nouvelle membrane, il était nécessaire de modifier les électrodes afin d’éviter que l’eau ne puisse pénétrer à l’intérieur de la membrane.

La solution : une technique de sérigraphie spécifique, similaire à celles employées dans le domaine des semi-conducteurs, a été utilisée par les chercheurs du Centre technologique d’Isenbüttel pour déposer sur des éléments en carbone non-tissé une couche de platine modifiée.

Ces nouvelles électrodes ont ensuite été intégrées dans des stacks (empilements) de piles et soumises à des essais très complets. Le résultat a été sans équivoque : il n’y avait plus de dilution de l’acide phosphorique par l’eau produite lors de la réaction. Cela signifie que la technologie haute température peut maintenant être mise en oeuvre.

Les nouvelles piles à combustible fonctionnent dans une plage de températures sensiblement plus large que celle des piles étudiées jusqu’à présent. Ces températures plus élevées rendent par ailleurs la membrane moins sensible aux impuretés contenues dans l’air.

L’utilisation des piles à combustible haute température, développées par Volkswagen, permet de supprimer environ un tiers des composants du système global. Le système haute température devient ainsi plus léger, moins coûteux et mieux adapté à l’utilisation automobile.

Volkswagen s’investit depuis une dizaine d’années dans le domaine de la recherche sur les piles à combustible. Parmi les étapes clés de ces programmes, on peut citer le projet Capri (1996-2000 / moteur hybride sur la Golf Variant avec pile à combustible 20-kW), la Bora HyMotion (2000 / véhicule hybride avec pile à combustible 30 kW en régime constant), ainsi que les projets PSI-Bora en coopération avec l’Institut Paul Scherer (2001 / essais sur route avec le franchissement du col du Simplon à 2 005 m d’altitude avec une pile à combustible de 40 kW) et Touran HyMotion (depuis 2004 / intégration d’une pile à combustible de 65 kW en régime constant sans restriction du volume disponible dans l’habitacle / essais réalisés entre autres en Californie, en Chine et dans le cadre de Clean Energy Partnership à Berlin).

Afin de maximiser la synergie des forces engagées dans ce projet de recherche du futur, l’entreprise a alors décider de créer son propre Centre technologique à proximité du site historique de Volkswagen à Wolfsburg. Le choix s’est porté sur Isenbüttel, à 15 km de là.

Ce Centre technologique, d’une superficie de 38 000 m², dédié à la recherche sur les piles à combustible et les véhicules électriques, a vu le jour en 2001. Ces seules installations de mesure et de contrôle ont représenté un investissement de plus de 20 millions d’euros.

Le bâtiment abritant les bancs de contrôle et le montage véhicules, d’une superficie de 6 800 m², est suffisamment vaste pour accueillir tout type de dispositif de recherche et de développement. Mille ingénieurs travaillent dans les locaux administratifs du Centre technologique, qui occupent une surface de 2 800 m².

Un parc de bancs de test, spécialement dédiés aux exigences des piles à combustible haute température, permet de réaliser des essais exhaustifs, incluant les matériels de test pour les différents composants des piles, pour les stacks de laboratoire, de plus petite taille, pour les stacks intégrés dans les véhicules, jusqu’à 100 kW de puissance, ainsi que pour l’ensemble des composants du système.

Les laboratoires et installations de fabrication hébergent tous les équipements nécessaires au développement des piles à combustible haute température, allant des machines de sérigraphie jusqu’aux robots de pulvérisation de l’isolant. L’utilisation de techniques de mesure hautement sophistiquées comme la spectroscopie d’impédance, la voltamétrie cyclique, la mesure de la densité des courants et la chromatographie gazeuse fait partie du programme quotidien.

Un banc d’essai pour les moteurs électriques et un banc d’essai batteries ont été intégrés afin de pouvoir tester l’ensemble des composants des motorisations électriques. Des plates-formes élévatrices permettent de procéder au montage et à la mise en marche des véhicules alimentés par piles à combustible. Les premiers essais relatifs au cycle de conduite et à la consommation de ces véhicules peuvent être effectués sur un banc d’essai à rouleaux.

Le Centre technologique dispose de ses propres installations de stockage et de remplissage d’hydrogène, soit sous forme liquide à moins 253°C, soit sous pression à 350 bar, avec un potentiel de développement permettant d’atteindre 700 bar.

L’hydrogène de la station sous pression est produit sur place de manière régénérative à partir de l’énergie solaire ; un champ photovoltaïque de 50 m² a été installé sur le site à cet effet.

Toutes les conditions sont donc idéalement réunies pour assurer le succès de la technologie Volkswagen dans le domaine des piles à combustion haute température.