HySPàC : la structure de recherche du CNRS sur l'hydrogène-énergie

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23558
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HySPàC : la structure de recherche du CNRS sur l'hydrogène-énergie

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HySPàC : la structure de recherche du CNRS sur l'hydrogène-énergie La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 45 HySPàC : la structure de recherche du CNRS sur l'hydrogène-énergie CHRISTOPHE COUTANCEAU1 , FERMIN CUEVAS2 , DANIEL HISSEL3 , CHRISTOPHE TURPIN4 , OLIVIER JOUBERT5 1 IC2MP, UMR7285 CNRS-Université de Poitiers, 4 rue Michel Brunet, TSA 51106, 86073 Poitiers cedex 9 2 Université Paris Est, ICMPE (UMR7182), CNRS, UPEC, F-94320 Thiais 3 Univ. Bourgogne Franche-Comté, Institut FEMTO-ST, Fédération FCLAB, CNRS, 90010 Belfort Cedex 4 LAPLACE, Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France 5 Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), UMR 6502 CNRS-Université de Nantes, 2, rue de la Houssinière, BP 32229, 44322 Nantes Cedex 3 1. Introduction L’hydrogène joue un rôle capital dans la transition énergétique. Il aide à contourner les carburants fossiles, polluants. Très énergétique, il est utilisable dans de nombreux formats, pour la recharge de téléphones aux grandes demandes de véhicules. Cependant, au regard du niveau de maturité encore limité des technologies envisagées, des actions de recherche sont nécessaires. Pour faire face à ces questions, la France possède des expertises et des acteurs clés regroupés au sein du GdR du CNRS N°3652 HySPàC "Hydrogène, Systèmes et Piles à Combustible. HySPàC regroupe environ 400 chercheurs permanents, du CNRS, du CEA, de l’IFSTTAR, des universitaires et des industriels (EDF, ENGIE, Zodiac, Safran). Les 106 équipes constituant le GdR, reconnues au niveau international, interviennent ainsi sur la production d’hydrogène décarboné, sa purification et son stockage gazeux ou solide, sur les différents constituants des cœurs de cellules (membranes polymères, électrolytes céramiques, catalyseurs, couches de diffusion, plaques bipolaires, etc.) et les systèmes (auxiliaires, gestion électrique, modélisation, diagnostic, hybridation, etc.) impliqués dans les piles à combustible basse température (PEMFC1, DMFC2, DAFC3, etc.) et haute température (SOFC4, ITSOFC5, PCFC6, etc.), et dans l’électrolyse de l’eau (PEMEC7, SOEC8). 2. Résultats La production un hydrogène décarboné à bas coût est l'objectif actuel. L'électrolyse à haute température est la solution la plus prometteuse. Le déploiement de cette technologie à grande échelle 1 PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell 2 DMFC = Direct Methanol Fuel Cell 3 DAFC = Direct Alcohol Fuel Cell 4 SOFC = Solid Oxide Fuel Cell 5 ITSOFC = Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell 6 PCFC = Proton Ceramic Fuel Cell 7 PEMEC = Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell 8 SOEC = Solid Oxide Electrolysis Cell Résumé : Les De l’étude des matériaux à l’intégration système, en passant par l’électrochimie, la catalyse ou la chimie du solide, le Groupement de Recherche du CNRS "HySPàC" fédère la communauté académique française, dans la "production", le "stockage" et la "conversion" de l'hydrogène pour des domaines d'applications "stationnaires" et "mobiles" de ce combustible. Il apporte de nouvelles connaissances sur l’hydrogène et son utilisation comme carburant vertueux. Cet Article couvre toutes les facettes de HySPàC illustrées par quelques exemples de résultats montrant les forces de recherches académiques et partenariales sur le sujet. Abstract : From the study of materials to system integration, through electrochemistry, catalysis or solid chemistry, the CNRS research grouping "HySPàC" brings together the French academic community, in the hydrogen production, storage and conversion activities for stationary and mobile applications. HysPàC provides new knowledge on hydrogen and its use as a virtuous fuel. This article covers all facets of HySPàC illustrated by some examples of results showing the strengths of academic research and partnership on the subject. Mots-clefs : Hydrogène, stockage, piles à combustible, systèmes HySPàC : la structure de recherche du CNRS sur l'hydrogène-énergie La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 46 nécessite cependant de l’innovation de rupture (TRL 1 à 3) associant recherche fondamentale de pointe et développement technologique. Les innovations d'HySPàC ont porté notamment sur le remplacement des matériaux de cœur de cellules [1], sans altérer les performances actuelles et permettant une plus grande stabilité à long terme ou sous pression [2]. Les acteurs de HySPàC se concentrent aussi sur moyens de stockage innovants pour des applications mobiles et stationnaires sont à l'étude. Pour des applications embarquées telles que les vélos électriques, des matériaux nouveaux à base de magnésium ont été développés pour la production d’hydrogène à basse pression par réaction avec de l’eau [3]. Coté application stationnaire, et notamment pour la gestion de l’intermittence des énergies renouvelables, un stockage sûr, efficace et compacte de l’hydrogène est recherché, soit au sein de composés solides (hydrures), soit dans des réservoirs sous pression. Ceci a été démontré très récemment par la conception et la construction des réservoirs moyenne pression (30 bars) permettant l’autonomie en énergie du refuge du Col du Palet (alt. 2600 m, Parc National de la Vanoise), tout au long de l’été [4]. En France, les premiers usages de la pile à hydrogène démarrent avec des flottes captives telles que des taxis (Hype) ou des utilitaires comme dans le cadre du projet Mobypost (FCLAB - FEMTO-ST [5]) où 10 véhicules (Fig. 1) ont été mis en service pendant plus de 2 ans. Cette flotte de véhicules a été conçue en fonction des besoins et contraintes réelles d’exploitation de La Poste. Ainsi, de la production d'électricité par des panneaux photovoltaïques installés sur site à celle d’hydrogène par électrolyse, à son stockage à bord dans des réservoirs à hydrures métalliques, jusqu’à la chaine de traction électrique (hybride batteries - pile à combustible) et son pilotage, une optimisation systémique a été recherchée. Une autre application des piles à combustible est le domaine du transport aéronautique. Le projet FUCHYA (2015-2018) qui a rassemblé l’IRT Saint-Exupéry avec Safran Power Units, Zodiac Aerospace et Airbus avait pour objectifs d’étudier le vieillissement et le diagnostic des PEMFC basses températures (80°C) et hautes températures (160°C). Il s'est poursuivi par PIPAA (2017-2021), piloté par SAFRAN Power Units et accueilli par la plateforme de tests du LAPLACE pour les développements laboratoire, visant notamment à aller jusqu’à des démonstrations en vol [6]. Figure 1 : Véhicules Mobypost– Première flotte de véhicules à hydrogène déployée en France (Chaine de traction intégrée @ FCLAB / FEMTO-ST / UTBM) Malgré la maturité des piles PEMFC, ces générateurs de puissance électrique doivent encore gagner en compétitivité (coût, durabilité, fiabilité) et plusieurs verrous principalement amonts doivent être levés. Les objectifs des équipes HySPàC sont la diminution de la quantité de métaux nobles dans les électrodes, l’augmentation de la température de fonctionnement, la durabilité du système en fonctionnement et l’augmentation des performances électriques. Pour atteindre ces objectifs, des architectures innovantes d’électrodes [7] et d’électrolytes polymères [8] ont été développées, les mécanismes de dégradation ont été étudiés et des solutions de prolongation de vie des matériaux proposées [9]. 3. Conclusion Le CNRS à travers HySPàC a permis de développer des recherches à l'interface entre les différentes disciplines et susciter des échanges et des collaborations entre les chercheurs et générer des idées novatrices basées sur l'excellence des équipes dans leurs domaines respectifs. HySPàC a été un formidable catalyseur de progrès scientifiques et technologiques, de la recherche amont (TRL 1-2) à appliquée (TRL3), jusqu'au transfert industriel (TRL8). Ceci s'est notamment concrétisé par la création de startups (McPhy Energy, Mahytec, Sylfen, H2SYS…) dont la progression est spectaculaire et d’autres projets sont en cours de maturation. HySPàC : la structure de recherche du CNRS sur l'hydrogène-énergie La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 47 4. Remerciements HySPàC remercie le CNRS notamment la direction de l'Institut de Chimie et L'Institut des Sciences de l'Ingénieur et des Systèmes pour leur aide dans la structuration de la filière Hydrogène. 5. Références [1] C. Arrivé. T. Delahaye. O. Joubert. G. Gauthier, Journal of power sources. 223 (2013) 341-348 et A. Flura, C. Nicollet, V. Vibhu, A. Rougier, J.C Grenier and J.M. Bassat, Electrochemica Acta 231, 103-114 (2017). [2] L .Bernadet, G.Gousseau, A.Chatroux, J.Laurencin, F. Mauvy, M.Reytier, International Journal of Hydrogen Energy, 40 (2015) 12918- 12928. [5] [3] F. Mauvy, J.-L. Bobet, J. Sabatier et F. Bos « Use of a magnesium-based material for producing dihydrogen or electricity », Brevet WO2017060368A1, 2017 [4] http://parcdelavanoise.blogspot.com/ et http://www.mahytec.com/fr/mahytec-livraison- colpalet/ [accès le 7 juin 2018] [5] D. Hissel, Revue de l'Electricité et de l'Electronique, vol. 2018-2, pp. 4-9, 2018. [6] C. Turpin, Keynote, IDHEA 2016, International Discussion on Hydrogen Energy and Applications, 2-4 Novembre 2016, Nantes, France [7] D. Dru, S. Baranton, J. Bigarré, P. Buvat, C. Coutanceau, ACS Catalysis 6 (2016) 6993−7001 [8] H.-D. Nguyen, J. Jestin, L. Porcar, C. Iojoiu, S. Lyonnard, ACS Appl. Energy Mater. 1 (2018) 355– 367. [9] L. Dubau, L. Castanheira, F. Maillard, M. Chatenet, O. Lottin, G. Maranzana, J. Dillet, A. Lamibrac, J.-C. Perrin, E. Moukheiber, A. Elkaddouri, G. De Moor, C. Bas, L. Flandin, N. Caqué, Wiley Interdisciplinary Reviews: Energy and Environment 3 (2014) 540-560. 10.1002/wene.113