Comment mettre au point des piles à hydrogène durables, performantes et abordables? Une équipe de l’Institut de recherche sur l’hydrogène, à Trois-Rivières, est prête à relever le défi.
En matière de carburant propre, difficile de battre l’hydrogène! En théorie, il permet de produire de l’électricité en ne rejetant que de l’eau et de la chaleur, et en libérant 3 fois plus d’énergie que l’essence à masse égale.
L’équipe de Samaneh Shahgaldi (au centre). Photo: UQTR
Mais, dans les faits, les piles à combustible, qui permettent de convertir l’hydrogène en électricité, sont loin d’être optimales. Tout comme les électrolyseurs, d’ailleurs, qui produisent de l’hydrogène à partir de l’eau. « Il y a plusieurs défis, notamment le coût, la performance et la durabilité. C’est difficile de réunir ces trois qualités dans une seule pile », explique Samaneh Shahgaldi, professeure au Département de biochimie, chimie, physique et science forensique à l’Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR).
Cette experte en génie chimique et nanomatériaux est pourtant convaincue qu’il est possible d’améliorer la « recette » de ces piles tout en baissant leur coût. Avec son équipe de l’Institut de recherche sur l’hydrogène, un chef de file de la recherche sur l’hydrogène en Amérique du Nord, elle décortique chaque composant pour trouver des pistes d’amélioration.
Un mille-feuille complexe
Pour mieux comprendre, il faut plonger dans le fonctionnement d’une pile à hydrogène. En gros, cette dernière est constituée de quatre composants : deux électrodes (anode et cathode), un catalyseur et une membrane. Du côté de l’anode, l’hydrogène entre en contact avec le catalyseur – classiquement, du platine. La molécule (H2) est alors séparée en protons (ions H+) et en électrons. La membrane « échangeuse de protons » laisse passer les protons et bloque les électrons. Ceux-ci empruntent un circuit extérieur vers la cathode et génèrent ainsi un courant électrique. Les protons et électrons se retrouvent à la cathode où ils réagissent avec de l’oxygène pour former de l’eau. L’électrolyseur, quant à lui, fonctionne de façon inverse. À partir de l’eau, il libère de l’oxygène à l’anode et de l’hydrogène à la cathode grâce à l’application d’un courant électrique.
En réalité… c’est plus complexe! Les piles commerciales sont une sorte de mille-feuille comptant plusieurs couches alternées d’électrodes et catalyseurs, d’électrolytes, et des couches dites de « diffusion des gaz » imprégnées d’un revêtement microporeux, et l’on manque encore de connaissances pour comprendre ce qui mène par exemple au vieillissement rapide de l’assemblage.
Quand on lui demande si cette complexité est parfois décourageante, Samaneh Shahgaldi est catégorique : « La science n’est jamais décourageante, surtout lorsqu’il s’agit de recherche appliquée. J’ai la chance de collaborer étroitement avec d’importants partenaires industriels, et les connaissances développées au sein de notre groupe se traduisent souvent directement dans les chaînes de production réelles. Ce lien immédiat est très motivant pour nous », dit-elle.
Alliages et ingéniosité
L’équipe a justement réalisé une percée prometteuse, concernant la nature du catalyseur. Aujourd’hui, c’est le platine qui est utilisé, mais il est quasiment aussi cher que de l’or… Idem pour l’iridium, un élément du même groupe de métaux précieux.
« Le platine et l’iridium jouent tous deux un rôle crucial, car ils facilitent les réactions électrochimiques clés. Cependant, leur coût élevé et leur disponibilité limitée sont des obstacles majeurs pour leur commercialisation à grande échelle. Dans le cadre de nos recherches, nous étudions plusieurs stratégies visant à réduire, voire à remplacer, l’utilisation de ces métaux précieux. L’une d’elles consiste à concevoir des catalyseurs de forme contrôlée, comme des structures cubiques, hexagonales ou fibreuses, par exemple, afin d’exposer davantage de sites actifs et d’améliorer l’efficacité catalytique », indique la chercheuse prolifique, qui supervise 20 étudiantes et étudiants au doctorat et 5 au postdoctorat dans son laboratoire.
L’autre piste est celle des alliages. Récemment, l’équipe a réussi à remplacer le platine par du tantale et du niobium. « Les résultats sont très prometteurs. Nous pensons que ces deux éléments ont un fort potentiel pour redéfinir la prochaine génération de dispositifs électrochimiques en combinant performance, stabilité et rentabilité. »
Samaneh Shahgaldi, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les piles à combustible à base de lignine, a longtemps travaillé pour l’entreprise Hydrogenics/Cummins, leader dans le domaine des piles à combustible et des électrolyseurs. Elle a donc une vision complète de l’écosystème industriel, allant du développement des matériaux à la fabrication des piles à grande échelle.
Ce qui lui permet de voir loin. « Le Canada est particulièrement bien placé pour jouer un rôle majeur dans ce secteur, estime-t-elle. Nous disposons des minéraux essentiels, de l’expertise technologique et des capacités de recherche pour bâtir une économie de l’hydrogène solide. Je suis convaincue que le moment est venu de développer et de localiser la production de composants clés, tels que les catalyseurs, les membranes et les électrodes, ici même au Canada. Cela permettrait non seulement de renforcer notre écosystème d’innovation, mais aussi de consolider la place du Canada en tant que leader mondial dans le domaine des technologies d’énergie propre. »
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