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Par Luz HEDIER GADEA, Consultante en financement de l’innovation
Face aux limites environnementales et sociales de l’extraction des terres rares et à la pression réglementaire croissante des substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées (PFAS), le secteur de l’hydrogène doit repenser ses matériaux pour la pile à combustible.
La pile à combustible PEMFC est un système électrochimique qui converti l’hydrogène et l’oxygène en électricité et en chaleur. Elle se caractérise par une densité de puissance élevée, une grande autonomie, une recharge très rapide, de faibles émissions sonores et de faibles émissions de polluants. Les véhicules hydrogène sont donc idéaux pour décarboner la mobilité lourde.
L’assemblage membrane-électrode (AME) est le siège des réactions électrochimiques. Le dihydrogène (H2) est transformé en protons et en électrons à l’anode. À la cathode, le dioxygène (O2) réagit avec ces protons et électrons pour former de l’eau. Les deux électrodes sont fabriquées à base d’un catalyseur, le plus souvent à base de platine et d’un ionomère qui sert de liant et de conducteur de protons. Une membrane sépare les deux électrodes et permet de conduire les protons.
Le développement des matériaux pour l’AME est souvent focalisé sur les performances opérationnelles au détriment de l’analyse des impacts liés à l’extraction des terres rares, à leur recyclage et à l’utilisation de PFAS.
Ces défis risquent cependant de freiner le déploiement industriel et la viabilité économique de la pile à combustible.
Les réserves mondiales de Platine sont limitées : compactées en un seul cube, celui-ci mesurerait environ 7 mètres de côté. La demande devrait fortement augmenter avec l’accélération de la décarbonation et le développement des technologies d’électrolyseurs et pile à combustible hydrogène. Or, les ressources en Platine sont insuffisantes pour répondre aux objectifs climatiques.
L’Afrique du Sud représente plus de 70% de l’approvisionnement mondial en Platine. Alors que la transition énergétique vise à réduire l’impact global sur le climat, elle peut paradoxalement aggraver des inégalités sociales et environnementales locales. Mais également entraîner des conflits géopolitiques et une forte volatilité des prix.
Des stratégies de recyclage, de substitution des matériaux et de chaînes d’approvisionnement plus responsables sont nécessaires.
De plus, un des freins à l’industrialisation de la PEMFC est lié au design de l’AME : d’après le département de l’énergie des États-Unis (US DoE), le catalyseur représente plus de la moitié du coût du stack. Pour résoudre cette limitation technique, les recherches se concentrent sur la réduction de la quantité de platine ou son remplacement par des catalyseurs sans métaux précieux (PGM-free).
Les catalyseurs sans métaux précieux (PGM-free) les plus prometteurs sont les catalyseurs M-N-C, à base de fer, cobalt et manganèse. Ces catalyseurs à sites métalliques sont dispersés à l’échelle de l’atome et coordonnés à des atomes d’azote dans une matrice carbonée. Cependant, ils se dégradent très rapidement en conditions réelles de fonctionnement des piles PEMFC.
Une voie de synthèse prometteuse est l’utilisation de réseaux métallo-organiques (MOF). La méthode de dopage chimique basée sur le réseau zéolithique imidazolate (ZIF)-8 permet de développer des catalyseurs M-N-C efficaces. Yanghua He et al. (2022) ont mis en évidence le mécanisme de formation des sites actifs MN4 lors de l’activation thermique et l’on corrélé avec les propriétés du catalyseur. Ces recherches guident ainsi une conception rationnelle des catalyseurs, au lieu de s’appuyer sur les approches actuelles par essais et erreurs.
En parallèle, une autre stratégie vise à réduire la quantité de Platine. Des alliages à faible teneur en Platine sont en cours de développement. Ainsi que des nanoparticules à structure noyau-enveloppe, où une fine couche de platine recouvre un noyau métallique moins coûteux. Enfin, des supports carbonés avancés comme le graphène, les nanotubes de carbone ou les carbones mésoporeux dopés sont largement étudiés pour améliorer la dispersion des catalyseurs, le transport des électrons et des gaz, et la stabilité globale.
Finalement, pour que les catalyseurs non-PGM soient exploitables en conditions réelles, il est nécessaire de repenser la conception de l’AME en concevant des interfaces efficaces entre oxygène, catalyseur et ionomère (point triple). L’optimisation de la composition, de la structure et la porosité des électrodes est essentielle pour améliorer la performance et la durabilité.
Le Critical Raw Materials Act impose davantage de traçabilité, de recyclage et de sécurisation des approvisionnements. L’objectif européen est de couvrir au moins 25 % des besoins en métaux critiques par le recyclage d’ici 2030. Cela pousse ainsi la filière à réduire la dépendance aux importations et à intégrer la circularité afin de rendre la technologie PEMFC plus durable et compétitive.
Ainsi, certains fournisseurs de catalyseurs comme Umicore, Hereaus ou Johnson Matthey, intègrent déjà du Platine issu de pots catalytiques, de piles à combustible en fin de vie ou de déchets de production. Cependant, la PEMFC ne contribue encore que très marginalement au flux global de platine recyclé, faute de volumes suffisants et de filières opérationnelles.
Trinh et al. (2024) ont montré qu’une solution à base d’acide chlorhydrique permet de dissoudre efficacement le platine, avec un taux de récupération supérieur à 76%. L’ajout d’oxydants courants permet d’améliorer la dissolution. Le chlorate de sodium est le plus efficace, permettant d’atteindre jusqu’à 97 % de platine dissous.
La première analyse de cycle de vie complète à l’échelle de l’AME a été réalisée par Duclos et al (2017). Elle révèle que le procédé de lixiviation basé sur l’utilisation de peroxyde d’hydrogène suivi d’une extraction par solvant présente un bon compromis entre rendement de récupération du platine (environ 76 %) et impact du cycle de vie de l’AME (réduction d’environ 60%). Cette réduction augmente directement avec le taux de platine recyclé. Cela confirme ainsi l’importance du recyclage du platine pour améliorer la durabilité des piles à combustible.
Les PFAS englobent des milliers de substances chimiques synthétiques très utilisées dans l’industrie. Ils se retrouvent dans beaucoup d’objets du quotidien comme les poêles antiadhésives ou les vêtements imperméables. Leurs liaisons carbone-fluor font partie des liaisons chimiques les plus fortes, ce qui leurs donnent une grande stabilité chimique. Cela les rend cependant difficiles à éliminer, entraînant une contamination durable de l’eau, des sols et de la chaîne alimentaire. Plusieurs discussions sont en cours sur une limitation d’utilisation des PFAS à cause de leurs effets nocifs sur l’environnement et la santé.
Une interdiction générale des PFAS aurait de fortes conséquences sur la technologie de pile à combustible PEMFC. Elle utilise en effet des membranes et polymères à base de PFAS qui sont indispensables à leur fonctionnement. La recherche d’ionomères alternatifs se révèlerait nécessaire à la survie de cette technologie.
Les membranes en hydrocarbone montrent une bonne stabilité en conditions réelles et une perméabilité aux gaz plus faible. Les polyphénylènes sulfonés font partie des premières générations de membranes en hydrocarbone qui ont été étudiées. Bien que leur synthèse et leur mise en forme soient complexes, les avancées récentes permettent un meilleur contrôle de leur structure. Cependant, elles sont encore très fragiles mécaniquement.
Les membranes en hydrocarbone à base de polyphénylène sulfo-phénylé présentent une température de transition vitreuse élevée, ce qui limite la méthode d’enduction au decal.
Konstantin A. Weber et al (2025) ont montré qu’en pré-humidifiant les membranes avant le pressage à chaud, l’eau peut jouer un rôle de plastifiant, rendant la membrane plus souple sans dégrader ses propriétés. Ainsi, à l’aide de ce procédé les performances mesurées semblent prometteuses. Cette étude montre l’importance d’adapter les procédés de fabrication des électrodes pour être compatibles avec une production industrielle à grande échelle.
Des membranes à base de cellulose bactérienne, dopées à l’acide phosphotungstique, sont également de bonnes candidates. Elles se distinguent par une meilleure stabilité thermique et mécanique, tout en restant souples. Gaopeng Jiang et al (2012) ont montré qu’elles atteignent des conductivités élevées à température ambiante et permettent d’obtenir des densités de puissance prometteuses. Des optimisations supplémentaires des matériaux et des procédés d’assemblage sont encore nécessaires.
Afin de soutenir et structurer la recherche, l’innovation et l’industrialisation de systèmes piles à combustible plus durables, plusieurs appels à projet (AAP) sont actuellement ouverts :
De son côté, Bpifrance finance des projets d’innovation et d’investissement à travers l’AAP Métaux critiques 2, dédié à la réduction de la dépendance aux métaux critiques de l’industrie. L’AAP Véhicules routiers de demain et composants est orienté vers l’application automobile des technologies hydrogène.
Les industriels accélèrent la recherche de catalyseurs PGM-free ou de membranes sans PFAS, mais peu d’alternatives sont prêtes pour un passage à l’échelle industrielle. Concilier performance, durabilité et coût semble cependant être un compromis difficile à trouver. En effet, les projets pilotes utilisant des catalyseurs sans métaux précieux affichent encore des performances inférieures et une durabilité limitée par rapport aux standards industriels. De plus, les membranes alternatives peinent à égaler la stabilité chimique, la conductivité ionique et la durée de vie des membranes à base de PFAS.
En définitive, la généralisation des véhicules hydrogènes pour la mobilité lourde dépendra de notre capacité collective à repenser en profondeur la conception des piles à combustible. Cela implique d’accélérer la recherche sur les matériaux alternatifs, mais aussi d’intégrer les principes de circularité et d’analyse du cycle de vie dans le développement industriel.
Références
Fonds de recherche sur le charbon et l’acier : ouverture des appels 2026 pour accélérer l’innovation durable des secteurs du charbon et de l’acier
Réussir sa transition biosourcée : des solutions concrètes pour les industriels
