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Les recherches du CEA sur...

L'hydrogène et la pile à combustible

Publié le 30 mars 2021

Les technologies de l’hydrogène font l’objet de nombreux programmes de recherches au CEA depuis la fin des années 1980. Elles prennent part dans les missions de l’organisme en matière de développement des énergies nouvelles et reposent notamment sur des savoir-faire en termes de matériaux, de procédés hautes températures et hautes pressions, et en termes d’intégration des technologies. Objectif constant : renforcer l’intérêt économique de ce vecteur énergétique et, pour le CEA, être au meilleur niveau des technologies de l’hydrogène pour accompagner les industriels.​

Créer peu à peu les technologies
d’une « filière hydrogène »

La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)

Longtemps, les recherches du CEA et des autres organismes de recherche ou industriels impliqués ont tendu vers le développement du véhicule à hydrogène, équipé d’une pile à combustible (PAC). Le CEA a fait le choix de développer la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) basse température pour sa compacité et son rendement. Associée à un stockage sous une pression de 700 bar aux standards internationaux, la technologie devient concurrente des véhicules thermiques tant vis-à-vis de l’autonomie que du temps de recharge.

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​Banc de test pour pile PEMFC
© Dominique GUILLAUDIN/CEA (Malverpix No Comment Studio)


Si la technologie PEMFC est d’ores et déjà déployée dans certains véhicules, en particulier des utilitaires, le CEA poursuit ses travaux de recherche pour abaisser les coûts de conception des piles, tout en améliorant leurs performances, et en allongeant leur durée de vie.

L’électrolyse haute température 

L’intérêt de la mobilité hydrogène dans l’atteinte de la neutralité carbone à échéance 2050, n’a de sens que si l’hydrogène est lui-même produit par des procédés émettant peu de gaz à effet de serre. C’est notamment le cas de l’électrolyse de l’eau, procédé sur lequel le CEA travaille depuis une quinzaine d’années.

​Atelier de fabrication des stacks d'électrolyseurs haute température (EHT). Etape de dépose des joints.

​Atelier de fabrication des stacks d'électrolyseurs haute température (EHT). Etape de dépose des joints, qui assureront l'étanchéité des circuits.
© Dominique GUILLAUDIN/CEA (Malverpix No Comment Studio)


L'atteinte de la neutralité carbone à horizon 2050

Conformément aux recommandations du GIEC et à la suite de l’Accord de Paris, la France s’est engagée, dans le cadre d’une Stratégie Nationale Bas-Carbone définie en 2015 et de la loi énergie-climat adoptée en 2019, à atteindre la neutralité carbone à horizon 2050 en divisant par 6 ses émissions de gaz à effets de serre.  

Source : ministère de la Transition écologique 

Le CEA a privilégié l'électrolyse haute température de la vapeur d'eau (EHT) qui présente plusieurs avantages :

  • Elle permet de valoriser l'électricité en hydrogène avec des rendements supérieurs aux autres technologies d’électrolyse basse température. 
  • Elle est réversible et peut fonctionner en mode pile à combustible en produisant de l'électricité à partir de dihydrogène renouvelable, et ce sans avoir recours aux procédés de reformage des combustibles fossiles et avec un rendement électrique supérieur à celui des autres technologies.

Deux grands domaines d’applications :

transports et stockage de l’énergie

  • Dans le secteur des transports, le CEA développe depuis le milieu des années 2 000 des piles à combustible au meilleur niveau mondial. Premières utilisations concrètes : des véhicules utilitaires, des engins de manutention, à bord de bateaux ou encore d’avions. Les recherches portent sur la performance globale du système avec l’optimisation des réactions électrochimiques dans l’Assemblage Membrane Electrode (AME) et l’augmentation de la densité d’énergie volumique des piles aujourd’hui à plus de 4 kW/L. Ces recherches ont conduit à des transferts industriels chez PSA, Symbio, Faurecia. Par ailleurs, le CEA prépare les futures générations de PEMFC à base de composants imprimésParallèlement au développement de composants, des équipes se consacrent à l’intégration système, au déploiement d’outils de modélisation et au monitoring de flottes de véhicules réels pour définir des stratégies de fonctionnement optimales.
  • Par ailleurs, avec la montée en puissance des énergies renouvelables, l’hydrogène apparaît comme un outil de flexibilité pour pallier l’intermittence de certaines sources d’énergie renouvelable. Dans cette optique, le CEA développe des technologies de production d’hydrogène décarboné et de stockage d’hydrogène. Côté production d’hydrogène, le CEA mise sur les procédés d’électrolyse haute température ; côté stockage, différentes solutions (stockage gazeux sous pression, stockage solide dans des hydrures, stockage par voie liquide) sont étudiées selon les applications. 

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​SYDNEY : système électrolyseur / pile à combustible haute température réversible. Mise en place de l'enceinte thermique
© Dominique GUILLAUDIN/CEA (Malverpix No Comment Studio)


Le CEA, copilote scientifique du Programme Prioritaire de Recherche « Applications de l’hydrogène »

Le CEA est un acteur clé de la Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné, rendue publique par l’Etat en septembre 2020. Le CEA pilote, aux côtés du CNRS, un Programme Prioritaire de Recherche « applications de l’hydrogène », mobilisant les moyens du quatrième Programme des Investissements d’Avenir, pour soutenir la recherche en amont et préparer la future génération des technologies de l’hydrogène.

Pour aller plus loin, consultez le site du CEA Liten.



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