L'essence du futur

[7] _chimie - inrs-Énergie

par Dominique Forget - 27/04/2010

Si la voiture de demain roule à l’hydrogène, la pile à combustible sans platine inventée au Québec pourrait être très convoitée.

Jean-Pol Dodelet n’a pas réussi à transmuer le plomb en or, mais il a transformé le fer en platine. Ou presque. Le professeur et son équipe de l’INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications, à Varennes, comptent utiliser ce métal transformé dans les piles à combustible; celles qui pourraient un jour remplacer les moteurs à essence de nos voitures.

Comme toute cellule électrique, la pile à combustible est composée d’une anode et d’une cathode. Au niveau de l’anode, de l’hydrogène (qui occupera le réservoir des voitures, plutôt que l’essence) subit une réaction d’oxydation. Ses molécules se brisent en deux pour libérer des électrons et des protons. Ce sont les électrons qui génèrent le courant, lequel fait avancer la voiture.

Une fois leur travail terminé, les électrons se dirigent vers la cathode, où les attendent les protons. Là, protons et électrons rencontrent des molécules d’oxygène présentes dans l’air; atomes et particules se réorganisent ensuite pour former des molécules d’eau. C’est le seul déchet qui sort du tuyau d’échappement.

L’idée a de quoi faire rêver. Mais il y a plusieurs obstacles, dont celui-ci: sans platine à l’anode et dans la cathode, les réactions se produisent très lentement. À peine de quoi faire marcher une brosse à dents électrique! Le platine accélère les réactions en aidant notamment la molécule d’oxygène de la cathode à se fractionner pour former de l’eau.

Afin de produire une pile à combustible capable d’alimenter une voiture, les fabricants doivent utiliser une quinzaine de grammes de platine. Or, le cours de ce métal oscille présentement autour de 45 $ le gramme. «Il en faut entre 10 g et 20 g, affirme Jean-Pol Dodelet. Cela représente la moitié du coût de la pile!»

Si le platine est si cher, c’est qu’il est de plus en plus rare. Il pourrait même venir à manquer si on décidait de remplacer toutes les voitures à essence par des véhicules à hydrogène. D’où l’idée de lui trouver un substitut. «Ce n’est pas facile, souligne Michel Lefèvre, associé de recherche à l’INRS. À l’intérieur de la pile, le pH est près de zéro : presque tous les métaux s’y corrodent.» Y compris le fer.

C’est en observant ce qui se passe dans le corps humain que les chercheurs ont trouvé une solution. «Dans nos cellules, les mitochondries agissent comme de vraies petites piles à combustible, sauf que c’est le glucose qui joue le rôle de l’hydrogène», illustre Jean-Pol Dodelet. Dans ce système biologique, le catalyseur est un ion de fer protégé par quatre atomes d’azote, confinés dans des structures de carbone.

Les chercheurs de l’INRS ont donc eu l’idée de mélanger du carbone avec de l’azote et du fer en petite quantité, puis de chauffer le tout à très haute température. Ils ont ainsi réussi à créer une molécule similaire.

Ce catalyseur inédit, qui a fait l’objet d’un article dans la revue Science, s’est avéré très efficace, à quelques bémols près. «Il fonctionne parfaitement à haut voltage, quand la densité du courant est assez faible, explique Frédéric Jaouen, associé de recherche. Mais les résultats sont moins spectaculaires à bas voltage, c’est-à-dire à haute densité de courant.» Ces problèmes d’ingénierie pourront être corrigés, pense Jean-Paul Dodelet, en changeant la configuration des cathodes, par exemple.
Il y a cependant un obstacle plus sérieux: le catalyseur de l’INRS perd 40% de son efficacité après 100 heures sur le banc d’essai. Pour une pile à combustible installée dans une voiture, on s’attend à ce qu’il demeure stable pendant au moins 5 000 heures de route. «C’est notre grand objectif», reconnaît Eric Proietti, étudiant au doctorat et quatrième membre de l’équipe. La découverte intéresse évidemment l’industrie automobile. Le professeur Dodelet est d’ailleurs à la tête de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-General Motors du Canada en électrocatalyse.

Mais déjà, comme les piles à combustible équiperont sans doute bientôt nos ordinateurs, nos baladeurs et nos appareils photo, l’invention de l’INRS pourrait être convoitée. Le professeur Dodelet imagine même des maisons entièrement alimentées en électricité grâce à cette pile du futur.

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