Les piles à combustible à hydrogène protégées par du graphène améliorent l'efficacité des camions

Alors que le monde se rapproche de ses objectifs de développement durable, une attention particulière est portée aux sources d'énergie alternatives. Pour la plupart des gens, les véhicules électriques à batterie représentent l'avenir des transports, mais cette technologie ne suffira pas au secteur du transport routier en raison des exigences accrues et des distances de déplacement accrues. Voici comment une équipe d'ingénieurs a créé une pile à combustible robuste qui pourrait contribuer à réduire les émissions des véhicules lourds et à rendre les routes plus propres.

Comment fonctionnent les piles à combustible à hydrogène

Les piles à combustible à hydrogène ont connu un engouement considérable ces dix dernières années. Elles fonctionnent en convertissant l'énergie chimique stockée dans l'hydrogène en électricité pour alimenter votre véhicule ou d'autres appareils. Les piles à combustible sont idéales dans certains cas, car elles peuvent être rechargées en même temps qu'un moteur à essence classique, ce qui évite de perdre du temps à charger une batterie.

Les défis qui ralentissent l'adoption des piles à combustible

Les piles à combustible présentent certains problèmes qui ont limité leur adoption. Tout d'abord, leur processus est lent et nécessite un catalyseur pour être utilisable dans les véhicules. De plus, leur fabrication est coûteuse et nécessite des investissements massifs en infrastructures.

Des inquiétudes existent également concernant la densité de stockage limitée et la dégradation de la puissance délivrée après une utilisation intensive. Cette perte de puissance est due à l'utilisation de catalyseurs en alliage de platine. Ces dispositifs améliorent les performances. Cependant, ils sont connus pour libérer des substances chimiques au fil du temps, ce qui entraîne une baisse des performances.

Pourquoi les batteries ne sont pas adaptées au transport lourd

Les piles à combustible à hydrogène, destinées aux véhicules de tous les jours, ont peut-être été remplacées par des batteries plus performantes dans la plupart des véhicules électriques actuels, mais il n'en va pas de même pour les semi-remorques, les remorques de lancement et autres engins lourds. Les raisons de cette situation sont simples. D'une part, les camionneurs parcourent de longues distances et transportent de lourdes charges, ce qui nécessite une puissance bien supérieure à celle qu'une batterie moyenne peut fournir sans recharge.

Bien que ce secteur du marché automobile ne représente qu'environ 5 % du parc automobile, il est néanmoins responsable de la majeure partie de la pollution. Par conséquent, les ingénieurs doivent trouver une solution pour répondre aux besoins de puissance de ces véhicules.

Les piles à combustible avancées d'aujourd'hui

Les avancées récentes dans le secteur des piles à combustible ont ouvert la voie à l'innovation. Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), également appelées piles à combustible à membrane électrolyte polymère, sont l'une de ces améliorations qui ont contribué à rendre les piles à combustible à hydrogène plus attractives pour les besoins des équipements lourds. Cependant, ces piles souffrent encore de lixiviation et d'autres problèmes qui affectaient leurs prédécesseurs.

Percée dans la technologie des piles à combustible à hydrogène

Conscientes de leurs limites, une équipe d'ingénieurs de l'Université de Tohoku (Japon) et de l'Université de Californie à Irvine a collaboré pour élaborer une nouvelle méthode de création de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, répondant ainsi au double défi de l'activité catalytique et de la durabilité. Leur procédé a été documenté et partagé dans l'étude.¹, Le catalyseur Pt protégé par des nano-poches de graphène permet des durées de vie de plus de 200,000 XNUMX heures pour les applications de piles à combustible à usage intensif, publié dans Nature Nanotechnology.

Cette nouvelle approche intègre une architecture de catalyseur spécialement conçue, d'une robustesse supérieure, pour empêcher la lixiviation des éléments de l'alliage. La nouvelle structure PEMFC offre un rendement maximal de 71.9 % par rapport à ses prédécesseurs, ce qui en fait la conception la plus performante à ce jour.

Comment fonctionne la nouvelle conception du catalyseur de pile à combustible

Les ingénieurs ont compris qu'il leur fallait créer une barrière empêchant la lixiviation des alliages au fil du temps. Pour ce faire, l'équipe a entièrement repensé le catalyseur, en utilisant la nanotechnologie pour obtenir des améliorations microscopiques.

Les nanoparticules de platine améliorent les performances des catalyseurs

Le processus a débuté par l'intégration de nanoparticules de platine ultrafines dans une couche protectrice de graphène. Ces nanoparticules sont idéales car elles permettent aux ingénieurs d'assurer un enrobage uniforme du catalyseur. De plus, elles améliorent le processus de catalyse en garantissant des réactions à l'échelle nanométrique.

Nano-poches de graphène : protection et amélioration des piles à combustible

La couche protectrice de graphène s'appuie sur une couche bidimensionnelle d'atomes de carbone. Ceux-ci sont disposés en nid d'abeille, puis intégrés dans des supports en carbone. Le graphène est notamment le matériau le plus fin connu de l'homme. Il peut donc être appliqué sous forme d'une seule couche d'atomes à l'intérieur de la poudre de carbone.

La source - Groupe de recherche Huang – UCLA

Ketjenblack : le matériau de support carbone idéal

Le Ketjenblack a été choisi comme matériau de support carbone idéal. Il présente une structure poreuse à laquelle le platine peut adhérer à l'échelle nanométrique. Cette conception permet au support carbone d'améliorer la stabilité à long terme des catalyseurs, préservant ainsi leurs performances dans le temps.

Test de la prochaine génération de piles à combustible à usage intensif

Les ingénieurs ont mené plusieurs expériences et tests pour garantir la sécurité de leur nouvelle pile à combustible et garantir les performances attendues. Ces tests comprenaient la surveillance de la puissance délivrée, des cycles de vie, des polluants et d'autres paramètres spécifiques.

Durée de vie des piles à combustible : 200,000 XNUMX heures et plus

Après avoir effectué plusieurs tests de durée de vie sur le dispositif, les ingénieurs ont enregistré des résultats impressionnants. D'une part, le nouveau catalyseur offre une durée de fonctionnement de 200,000 XNUMX heures, battant ainsi les records des piles à combustible. Ils ont également constaté que le catalyseur restait actif, même dans des conditions difficiles et des environnements impitoyables.

Explication des résultats des tests de puissance et de stress

En termes de puissance, les piles à combustible améliorées ont fourni 1.08 watt par centimètre carré. Cette découverte place le nouveau système au même niveau que les batteries avancées actuelles. Il convient toutefois de noter que les piles à combustible sont huit fois plus légères que les batteries à performances similaires.

Le test de résistance de la nouvelle pile à combustible a consisté à soumettre les unités à des cycles de puissance. Plus précisément, l'équipe a effectué 90,000 1 cycles de tension à onde carrée sur son appareil. Cette action a simulé des années de conduite en conditions réelles. Les ingénieurs ont notamment constaté une perte de puissance de seulement 10 %. Ces statistiques constituent une amélioration significative par rapport aux normes de batterie, où une perte de XNUMX % pour la même utilisation serait considérée comme excellente.

Résultats des piles à combustible à usage intensif

Les résultats des tests ont mis en évidence les capacités améliorées des piles à combustible. Plus précisément, l'équipe a enregistré une durée de vie impressionnante de 200,000 71.9 heures et un rendement maximal de 1.1 %. De plus, les piles ont subi une perte de puissance minimale de moins de XNUMX % après plusieurs cycles d'essai.

L'équipe a constaté que l'assemblage membrane-électrode fabriqué à partir de ces nanocatalyseurs offrait une alimentation électrique à long terme. De plus, il était bien plus durable que les modèles de piles à combustible précédents, dont le catalyseur pouvait être endommagé par le temps et l'utilisation.

Avantages concrets des piles à combustible à hydrogène à usage intensif

Les piles à combustible à usage intensif présentent de nombreux avantages pour le marché. Elles pourraient notamment contribuer à généraliser l'adoption de cette technologie dans les véhicules de transport et de construction. Dans ces situations, ces unités constituent une meilleure option que les batteries, car elles peuvent fournir une alimentation fiable et stable à ces machines sans nécessiter de charge pendant des heures ni d'alourdissement.

Piles à combustible à hydrogène ou batteries : laquelle est la meilleure pour les camions ?

Les piles à combustible sont nettement plus légères que les batteries. Elles se remplacent en quelques minutes et peuvent être réutilisées de nombreuses fois avant de devenir inopérantes. Lorsqu'il s'agit de transporter des tonnes de marchandises sur des milliers de kilomètres, ajouter des centaines de kilos de poids supplémentaire sous forme de batteries est contre-productif. Les piles à combustible à hydrogène constituent donc une meilleure alternative, alliant durabilité et performance.

Les piles à combustible robustes constituent une amélioration considérable par rapport aux meilleures options actuelles. De manière impressionnante, les ingénieurs ont réussi à multiplier par sept l'objectif de 30 2050 heures fixé par le Département de l'Énergie des États-Unis pour 200. Ces dispositifs offrent plus de XNUMX XNUMX heures tout en conservant efficacité et performance.

Avantages du carburant hydrogène en termes de coût et d'infrastructure

L'adoption des piles à combustible à hydrogène pour les engins lourds présente des avantages financiers. D'une part, nombreux sont ceux qui pensent que la construction d'une infrastructure nationale de ravitaillement en hydrogène serait bien moins coûteuse que la mise en place d'un réseau de camions électriques. Si tel est le cas, cet investissement serait plus rapidement rentabilisé, car la durée de vie prolongée de l'unité pourrait améliorer la rentabilité.

Énergie durable sans compromis

La meilleure raison de soutenir les piles à combustible à usage intensif est qu'elles offrent un moyen de transport plus propre. Ces piles à combustible ne rejettent que de l'eau, ce qui les rend respectueuses de l'environnement et bien plus sûres que les batteries lithium-ion, dont les explosions dues à l'emballement thermique font toujours la une des journaux. Par conséquent, les piles à combustible à usage intensif offrent une autre option aux entreprises qui cherchent à réduire leurs émissions et à améliorer leur efficacité énergétique.

Applications et futurs cas d'utilisation des piles à combustible à usage intensif

Les piles à combustible pour applications lourdes offrent de nombreuses applications. Leur durée de vie et leurs performances accrues sont inégalées, ce qui en fait une alternative judicieuse pour les équipements lourds. De l'alimentation de semi-remorques transportant des marchandises aux tracteurs pour la construction de maisons, la pile à combustible pour applications lourdes révolutionnera le secteur. Voici quelques autres applications possibles.

Logistique

Tout ce que vous achetez parcourt des milliers de kilomètres avant d'arriver dans vos rayons. La logistique mondiale est un vaste réseau conçu pour transporter des millions de produits à travers le monde. L'utilisation d'options durables comme la pile à combustible pour véhicules lourds réduirait considérablement la pollution, car les camions et les engins lourds sont responsables d'autant de polluants que les 95 % restants des véhicules en circulation.

Alimenter les maisons

Cette technologie ne se limite pas à votre voiture. À l'avenir, des générateurs à pile à combustible à hydrogène haut de gamme pourraient être installés dans les foyers pour pallier aux variations de tension. Ces systèmes fourniraient de l'électricité en complément lorsque les autres systèmes ne fonctionnent plus. Imaginez, par exemple, une tempête de neige vous empêchant d'utiliser vos panneaux solaires. Dans ce cas, un générateur à pile à combustible pourrait être la meilleure option. Il est propre, plus silencieux que les générateurs à essence, rapide à recharger et abordable.

Calendrier d'adoption commerciale des piles à combustible à usage intensif

Si tout se déroule comme prévu, il est raisonnable de s'attendre à ce que la pile à combustible à usage intensif soit commercialisée d'ici 5 à 10 ans. Les ingénieurs ont déjà commencé à rechercher des partenariats industriels pour commercialiser le produit. Cette course à la commercialisation de ces nouvelles piles à combustible témoigne de la volonté générale de promouvoir les énergies alternatives vertes et d'atteindre les objectifs mondiaux de neutralité carbone fixés par la communauté internationale.

Chercheurs sur les piles à combustible à usage intensif

L'étude sur les piles à combustible à usage intensif a été menée par des chercheurs de l'Université de Tohoku (Japon) et de l'Université de Californie à Irvine. Les auteurs principaux de l'article sont Zeyan Liu et Bosi Peng, titulaires d'un doctorat de l'UCLA. Ces deux chercheurs ont bénéficié du soutien de Mingjie Xu, Wenjie Zang, XingXu Yan et Li Xing, de l'Université de Californie à Irvine. Ces travaux s'appuient sur les efforts antérieurs de l'équipe pour créer des piles à combustible hautes performances utilisant des matériaux uniques afin d'améliorer les résultats.

Prochaines étapes : brevets et partenariats industriels

Un brevet a notamment été déposé sur cette technologie et l'équipe cherche à approfondir ses recherches pour améliorer encore le procédé. Cette initiative permettra à l'équipe de s'associer aux principaux fabricants actuels de piles à combustible à hydrogène et d'améliorer encore leur conception.

Investir dans la production d'hydrogène

Le marché des piles à combustible à hydrogène est dominé par quelques acteurs reconnus. Ces entreprises ont investi des millions pour rechercher des moyens d'améliorer les performances et la rentabilité de leurs piles à combustible. Voici une entreprise qui a réussi à se tailler une place sur ce marché.

chaux

chaux (LIN + 1.31%) Entrée sur le marché en 1879, cette entreprise gazière irlandaise est devenue l'un des principaux fournisseurs mondiaux. Aujourd'hui, elle propose des produits à de nombreux secteurs, notamment la chimie, l'industrie manufacturière, la santé et la sidérurgie. Figurant parmi les plus grandes entreprises de gaz industriel au monde, Linde est aujourd'hui présente dans plus de 100 pays.

Linde offre des services de production et de transformation à ses clients. De plus, l'entreprise demeure une force pionnière grâce à plusieurs innovations révolutionnaires en matière de carburant hydrogène. Ces facteurs lui ont permis de conclure des partenariats stratégiques. Linde a récemment signé un contrat d'approvisionnement de 2 milliards de dollars avec le projet canadien Path2Zero, basé à Fort Saskatchewan, en Alberta.

Ces facteurs ont permis à LIN de devenir une valeur bien établie, qui a connu une croissance considérable. L'entreprise ne montre aucun signe de ralentissement et compte désormais plus de 500 usines de production d'hydrogène en activité. De ce fait, son action a surperformé ses concurrents du secteur. Ceux qui recherchent une action bien établie et réputée dans le secteur de l'hydrogène trouveront que Linde mérite une analyse plus approfondie.

Dernières nouvelles sur Linde

Piles à combustible pour camions : vers un avenir plus propre

L'utilisation de piles à combustible pour véhicules lourds pourrait se généraliser d'ici dix ans. Alors que de plus en plus de camions sillonnent les autoroutes pour répondre aux besoins croissants du e-commerce, les consommateurs continuent de chercher des moyens de réduire leur impact environnemental. Si certaines entreprises comme Tesla ont cherché à créer des camions électriques, l'approche améliorée de cette équipe en matière de piles à combustible offre à la fois performance et durabilité. On imagine donc facilement une flotte de véhicules à pile à combustible sillonnant l'autoroute, ruisselant d'eau tout au long de leur trajet pour livrer vos marchandises.

En savoir plus sur d'autres projets de développement durable ici.

Études référencées :

^{1. Liu, Z., Peng, B., Xu, M., Zang, W., Yan, X., Xing, L., … & Huang, Y. (2025). Un catalyseur Pt protégé par des nanopoches de graphène permet des durées de vie supérieures à 200,000 XNUMX heures pour les applications de piles à combustible à usage intensif. Natural Nanotechnology. https://doi.org/10.1038/s41565-025-01895-3}