Ressource illimitée, combustion propre, l’hydrogène ne se laisse pas pour autant stocker facilement. Concevoir des réservoirs à la fois compacts, sûrs et peu coûteux constitue une étape déterminante pour l’utilisation des différentes piles à combustible.
Des deux ingrédients indispensables au fonctionnement d’une pile, l’oxygène ne pose pas de problème de conditionnement. Et pour cause, disponible dans l’air, son stockage n’est pas nécessaire. Le conditionnement de l’hydrogène gazeux (H2), en revanche, se révèle plus délicat. Issu de l’hydrolyse de l’eau, ce gaz peut s’enflammer ou exploser en présence d’oxygène dans certaines conditions de pression, de température et de pureté. Autre difficulté, peu de matériaux sont parfaitement étanches à l’hydrogène sous pression. La molécule d’hydrogène est en effet la plus petite qui soit, ce qui lui permet de se faufiler à travers de nombreuses structures moléculaires (un phénomène appelé perméation). En outre, les atomes d’hydrogène peuvent altérer les propriétés mécaniques de ces matériaux : ils les fragilisent en les rendant cassants et réduisent leur résistance à la corrosion.
Haute pression…
L’étude du stockage haute pression consiste donc pour l’essentiel à éprouver les matériaux ayant un contact direct avec l’hydrogène. Au CEA, en particulier à la Direction des Applications Militaires (DAM) où les recherches sur le stockage de l’hydrogène et de ses isotopes sont bien antérieures à la pile à combustible, de nombreux matériaux ont pu être testés. Jusqu’alors, le choix s’était porté sur un type d’aciers dit « austénitiques » et certains alliages d’aluminium. Les réservoirs utilisant ces matériaux se prêtent pourtant mal à une utilisation mobile. Ils se révèlent particulièrement coûteux et lourds au regard de la quantité de gaz qu’ils peuvent emporter : leur capacité massique ne dépassent pas 2 à 3%, ce qui signifie que le stockage de 2 à 3kg d’H2 à 700 bars nécessite un réservoir de 100kg.
Pour obtenir une capacité massique acceptable, les chercheurs visent aujourd’hui d’autres matériaux, non métalliques cette fois-ci. De nombreux espoirs reposent sur les polymères « multicouches », des matériaux synthétiques dont certaines formulations offrent des caractéristiques intéressantes en terme de résistance mécanique et d’étanchéité. Des qualités qui leur permettent d’atteindre des capacités massiques de 10 % compatibles avec une utilisation « transport » ou « mobile ».
…basse pression
Pour palier les problèmes liés à la pression (perméation, fragilisation…) pourquoi ne pas finalement stocker l’hydrogène à basse pression ? L’idée est très sérieusement étudiée au CEA et plusieurs solutions ont déjà pu être testées. La plus prometteuse consiste à stocker l’hydrogène sous forme d’hydrures métalliques. Certains métaux (magnésium, palladium, titane-fer…) réduits en poudre ont la capacité d’absorber l’hydrogène à une pression inférieure à 1 bar. Un simple changement de température ou de pression suffit alors à récupérer le précieux combustible sous sa forme gazeuse. La formule présente des avantages certains : une absence complète de risque d’explosion ainsi qu’une grande compacité. Parmi les matériaux les plus prometteurs, figurent ainsi le magnésium et ses dérivés dont la capacité massique peut atteindre 7,6%. Néanmoins, leur cinétique d’absorption demeure trop lente. En d’autres termes, plusieurs heures seraient nécessaires pour faire le plein de sa voiture ! Un défaut qui réserve pour l’instant cette solution à des applications stationnaires.
En 1991, la découverte des nanotubes de carbone a également ouvert de nouvelles perspectives pour le stockage basse pression. Ces matériaux constitués d’atomes de carbone organisés en tubes concentriques de quelques nanomètres de diamètre sont dotés de propriétés exceptionnelles en terme d’absorption de l’hydrogène, certains chercheurs avançant même des capacités massiques supérieures à 10%. La difficulté à reproduire expérimentalement ces résultats invite à la prudence. Aussi, les études actuelles s’attachent à une meilleure compréhension des mécanismes d’absorption de l’hydrogène en fonction des nanostructures utilisées, et à une maîtrise des procédés de fabrication de ces matériaux.
Reformage
Entre stockage haute et basse pression, il existe cependant une alternative : celle de stocker des combustibles hydrogénés plutôt que l’hydrogène lui-même, des hydrocarbures (gaz naturel, pétrole), des alcools (méthanol)… Nombres de véhicules prototypes fonctionnent aujourd’hui selon ce principe. L’alimentation de la pile à combustible nécessite alors une étape préliminaire dite de « reformage », une réaction chimique qui permet de récupérer l’hydrogène contenu dans le combustible. Cette étape produit cependant du dioxyde de carbone. L’intérêt d’une pile à hydrogène alimentée en hydrocarbure s’en trouve donc réduit d’un point de vue environnemental, bien que son rendement demeure supérieur à celui d’un moteur thermique classique.
