Au cours des années 2000, les pouvoirs publics français ont fortement incité à la création d'une industrie de la pile à combustible (PAC), fondée sur une interaction des recherches publique et privée. Ainsi, le réseau PACo a été créé en 1999, coanimé par l'ADEME et le CEA, afin de favoriser par des aides financières les recherches sur les PAC, en intéressant de nombreuses entreprises, dont celles du secteur automobile. En 2004, PACo s'est muté en programme PAN-H, géré et financé par l'ANR — Agence nationale de la recherche.
La plate-forme pile à combustible, construite à Belfort en 2002, s'inscrit dans cette dynamique. Ses objectifs : tester et améliorer l'intégration des PAC (qui sont développées ailleurs) dans des systèmes complets, et plus particulièrement dans l'un des trois grands domaines pressentis pour l'utilisation de la PAC : les transports. La présence de PSA sur ce territoire n'est pas étrangère au choix d'implantation qui est également dû à la présence de laboratoires de recherche (notamment le L2ES) ayant accumulé de nombreuses compétences dans l'utilisation de l'énergie électrique dans les systèmes, surtout ceux visant aux transports (« de la source à la roue »). Ainsi, une énergie très forte s'est déployée au début des années 2000 autour des applications des PAC. Peut-être que les verrous technologiques encore à lever — concernant notamment la production de l'hydrogène dans des rapports énergétiques compétitifs, son stockage de façon sûre et peu encombrante, l'augmentation des rendements et de la durée de vie des PAC — avaient-ils été mésestimés. Huit ans plus tard, si les progrès réalisés sont conséquents, les délais envisagés pour l'entrée sur le marché de systèmes alimentés par PAC ont été réévalués, tant les développements nécessaires restent importants.
Dans la longue chaîne allant de la production d'hydrogène à l'intégration d'une PAC comme source d'énergie pour des utilisations variées, les maillons sont nombreux, diversifiés et font appel à des disciplines scientifiques très différentes. Dans cette chaîne, un nouvel acteur existe depuis janvier 2006, l'Institut FC LAB, un institut né d'un accord entre sept organismes, à vocation européenne, qui s'intéresse très spécifiquement à l'étude des systèmes complets utilisant les PAC. Ces sept organismes sont : l'université de Franche-Comté (UFC), l'université de technologie de Belfort – Montbéliard (UTBM), l'Institut national polytechnique de Lorraine (INPL), l'université Henri Poincaré (UHP), le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), l'Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité (INRETS) et le Commissariat à l'énergie atomique (CEA). Chacun de ces organismes apporte ses compétences propres à travers ses laboratoires de recherche concernés : FEMTO-ST / ENISYS (UFC, UTBM), SeT, M3M et LERMPS (UTBM), Fédération de recherche Jacques Villermaux (CNRS, INPL, UHP), FEMTO-ST (UFC, CNRS, UTBM, ENSMM), LITEN / DTH (CEA) et LTN (INRETS). L'Institut FC LAB est constitué aujourd'hui d'une équipe de quarante permanents et d'environ vingt-deux doctorants. Il s'est installé dans les murs occupés par la plate-forme PAC et s'y substitue. Il anime les recherches sur les systèmes PAC, coordonne et réalise les actions de recherche en utilisant ses installations (bancs d'essai, table vibrante pour tests en situation).
Ses axes de travail s'articulent autour de deux thèmes principaux : la durabilité et la fiabilité des PAC, et l'architecture des systèmes pour un meilleur rendement énergétique possible, ce qui inclut la conception d'auxiliaires pour générateurs à PAC. Les recherches entreprises visent à permettre une réduction des coûts et une augmentation de la durée de vie des systèmes PAC pour mieux favoriser leur insertion dans le monde industriel. Dès à présent, l'Institut FC LAB est engagé dans des programmes nationaux et européens, la plupart associant des grands comptes industriels. En effet, bien que la recherche académique fasse partie intégrante de ses missions, l'institut se contraint à fonctionner également par projets, répondant à des besoins formulés par les partenaires, notamment industriels. En voici quelques morceaux choisis.
PSA PEUGEOT CITROËN s'intéresse à la pile à combustible depuis 30 ans maintenant, de manière modeste si l'on compare à certains groupes automobiles en Allemagne, au Japon ou aux États-Unis. Dans sa préoccupation de recherche d'une technologie innovante et propre (sans émanation de CO2), la PAC figure parmi d'autres solutions, la stratégie du groupe étant de démultiplier les solutions pour répondre par une technologie donnée à une situation donnée. Son activité peut être ainsi qualifiée de veille prudente mais active, à l'affût des innovations technologiques permettant de diminuer le coût de production (des PAC elles-mêmes, mais aussi des réservoirs à hydrogène).
L'entreprise fait ainsi appel à des centres de recherches (CNRS, CEA, Institut FC LAB) pour analyser ou lever des points durs qu'elle a elle-même identifiés. Si le principal de ses efforts est tourné vers les piles à membranes échangeuses de protons, elle participe au projet APUROUTE en apportant des spécifications au cahier des charges, dans le but d'évaluer le potentiel et les promesses des piles SOFC.
Le projet européen FELICITAS, intégré au 6e programme cadre européen, est ambitieux puisqu'il s'agit de développer des chaînes de traction à pile à combustible, alimentées en hydrogène et en hydrocarbure. La pierre qu'apporte l'Institut FC LAB dans ce dispositif se situe dans l'étude d'une utilisation couplée des deux types de piles les plus fréquents : la pile SOFC (haute température) et la pile à électrolyte polymère PEMFC (basse température).
Dans l'état actuel de développement, aucune de ces deux piles n'est capable de répondre aux attentes d'un marché contraint et concurrentiel tel que le transport, en termes de rendement, de fiabilité et de durée de vie.
Les PEMFC présentent des atouts indéniables : elles démarrent à température ambiante et sont tolérantes aux variations des conditions de fonctionnement. Néanmoins, elles sont très sensibles aux traces de monoxyde de carbone (quelques dizaines de ppm) et le flux de chaleur qui accompagne la production électrique est difficile à valoriser car il est produit à basse température (entre 50°C et 80°C). À l'inverse, les piles à haute température (entre 700°C et 800°C) ont un rendement potentiel élevé, et le monoxyde de carbone est oxydé sans encombre dans la pile. Par contre, elles ne tolèrent pas les variations des conditions de fonctionnement, et ne supportent qu'un nombre limité de cyclages thermiques. Enfin, elles nécessitent un temps de montée en température important. L'objectif du projet est donc de concevoir un système couplant les deux types de piles, en jouant sur leur complémentarité et en optimisant les flux d'énergie et de matière.
Le système est constitué d'un reformeur diesel, alimentant une pile haute température. La pile SOFC fournit de l'énergie électrique et de l'énergie thermique récupérée via un échangeur thermique. Elle constitue également un premier étage d'oxydation du monoxyde de carbone. Les gaz d'échappement de l'anode de la SOFC sont purifiés et refroidis pour alimenter la pile basse température PEMFC. Les gains de rendement espérés sont à chercher lors de cette étape : il s'agit de simplifier et d'augmenter le rendement du système de purification du combustible et d'optimiser la gestion thermique.
Ce projet, soutenu par l'ANR, doit étudier l'intégration de PAC à oxyde solide (SOFC) fonctionnant à haute température, comme générateurs auxiliaires (APU) des véhicules. DELPHI, principal équipementier étasunien, en est l'un des promoteurs avec des attendus très concrets. L'Institut FC LAB, mobilisant pour cela les compétences de FEMTO-ST / ENISYS, a en charge le test de ce système, l'évaluation de ses compétences en termes de fiabilité et de rendement. Les piles SOFC ont l'avantage d'être peu sensibles au type de combustible utilisé. En revanche, elles fonctionnent à haute température (600 à 1 000°C), ce qui n'est pas sans poser des problèmes.
Deux bancs d'essais, nécessaires à la caractérisation du système, ont été entièrement conçus et instrumentés par FEMTO-ST / ENISYS. Un premier banc réalise le conditionnement fluidique et permet d'alimenter l'APU en hydrocarbure liquide (essence ou gasoil) ou gazeux (méthane, gaz naturel). Le second banc conditionne les tensions nécessaires à l'alimentation des différents périphériques présents sur les deux bancs. Il permet également de gérer les sécurités (matricielles et logicielles), la commande du circuit d'hydrocarbure et la commande de la charge. Bientôt seront effectuées des mesures (grâce à un spectromètre de masse) sur les gaz d'échappement, afin de calculer l'impact de cette solution sur la pollution atmosphérique.
Contact : Marie-Cécile Pera
Autre projet, autre ambition, peut-être à plus court terme, l'objectif de SPACT 80 est de développer, de qualifier et d'expérimenter un générateur modulaire hybride, c'est-à-dire associant une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) et des batteries.
Ce générateur équiperait des véhicules ferroviaires et routiers de transports collectifs et de fret ; il lui faut donc développer une forte puissance — de l'ordre de 80 kW. Il ne s'agit pas ici de concevoir un cœur de pile, mais plutôt d'associer des cœurs de pile de puissance moyenne (20 kWe), qualifiés pour les transports, et ainsi de multiplier à moindre coût les applications potentielles, la gamme de puissance pouvant ainsi aller de 20 à plus de 100 kWe. À l'Institut FC LAB, le générateur modulaire est testé grandeur nature, dans un premier temps sur un véhicule prototype de la DGA pour des applications militaires, et actuellement sur un locotracteur de la SNCF. Près de 24 000 heures d'essais cumulées ont été réalisées sur des monocellules, des stacks courts, des stacks longs ou le système pile à combustible complet, en vue d'optimiser les paramètres de dimensionnement et/ou de fonctionnement de la PAC, afin de répondre aux spécifications de ce projet financé par PAN-H de l'ANR et associant l'Institut FC LAB, l'INRETS, le CEA et le CNRS, ainsi que HELION, la SNCF et la DGA.
Contact : Daniel Hissel
