La pile à combustible et sa fabrication : quel rôle pour la soudure laser ?
Au cœur de nombreux projets de recherche, la pile à combustible présente aujourd’hui de nombreux atouts, apparaissant comme une solution adaptée pour réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’industrie. Mais comment fonctionnent une pile à combustible, et son pendant, l’électrolyseur ? Et à quoi servent-ils ?
Découvrez pourquoi la pile à combustible cristallise autant les énergies, et en quoi la soudure laser est un avantage pour sa fabrication !
L’hydrogène, source d’énergie propre et décarbonée
À l’heure où la planète entière cherche des solutions pour réduire ses émissions de gaz à effet de serre, l’hydrogène se présente comme une source d’énergie propre dotée de sérieux atouts.
Associé à l’oxygène, ce gaz présent naturellement dans l’air permet, grâce à une pile à combustible, de produire de l’électricité en ne rejetant que de l’eau. Ce qui fait de lui un allié de taille pour améliorer la qualité de l’air en limitant les rejets de CO2, de particules fines, de soufre et d’oxyde d’azote.
Le développement de l’hydrogène décarboné, un enjeu majeur
La filière hydrogène est ainsi devenue un axe d’investissement prioritaire en France. Une stratégie nationale de développement de l’hydrogène décarboné a d’ailleurs été présentée par le Gouvernement à l’automne 2020, devant l’Association Française pour l’Hydrogène et les Piles à Combustible (AFHYPAC).
Objectifs de ce plan stratégique ?
- Décarboner notre économie,
- développer une mobilité propre pour les véhicules lourds,
- et construire une filière industrielle créatrice d’emploi.
Les enjeux de l’hydrogène et de la pile à combustible sont donc à la fois environnementaux, énergétiques et économiques.
Focus sur les piles à combustible : usages et composition
Un peu d’histoire…
Si la pile à combustible suscite aujourd’hui un vif intérêt, elle ne date pourtant pas d’hier.
Elle est mise au point dès 1839 par W.R. Grove à la suite de travaux sur l’électrolyse de l’eau conduits par Christian Friedrich Schönbein.
Les travaux de recherche menés par Francis T. Bacon conduisent ensuite à la réalisation d’un premier prototype industriel en 1953 avant que la NASA ne s’empare à son tour du sujet, dans les années 1960, pour conquérir l’espace lors des programmes Apollo et Gemini.
Après des décennies d’expérimentation, la technologie revient sur le devant de la scène avec différentes applications.
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Les piles à combustible, génératrices d’électricité propre
Une pile à combustible permet de générer de l’électricité à partir de l’hydrogène.
L’électricité est produite par oxydation d’un combustible (en général, de l’hydrogène), qui réagit avec un agent oxydant (l’oxygène ou l’air).
La réaction chimique produite s’écrit ainsi :
H2 + O2 → H2O + électricité.
Son procédé inverse, appelé électrolyse de l’eau, sert au contraire à produire de l’hydrogène à partir d’eau et d’électricité :
H2O + électricité → H2 + O2.
Anatomie d’une pile à hydrogène
Schématiquement, les piles à combustible sont constituées d’un empilement de cellules composées d’une anode, d’une cathode, d’un électrolyte et d’un catalyseur.
Il en existe différents types, parmi lesquels on peut citer les piles à combustibles AFC (Alkaline Fuel Cell), PEMC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ou encore SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell).
Dans cette configuration :
- l’électrolyte est en céramique (de type YSZ),
- la cathode est formée d’un composé hybride céramique et métal,
- l’anode est constituée d’un composé LSM ou LSC,
- et le catalyseur est en métal conventionnel – en nickel, par exemple.
Des applications statiques ou en mobilité
Les applications de la pile à combustible sont variées. Elle peut servir à :
- produire de l’énergie et de la chaleur ;
- propulser des véhicules et auxiliaires (fusées, sous-marins…) ;
- répondre à des besoins d’énergie en situation de mobilité (PC, smartphones…).
Fabrication des piles à combustible : les avantages de la soudure laser
Utilisation de la soudure laser dans les piles à combustible
Les piles à combustible SOEC / SOFC peuvent avoir une structure tubulaire ou plate. Dans la deuxième configuration, des plaques bipolaires (ou interconnecteurs) sont collées aux supports de l’anode et de la cathode. Elles permettent :
- de canaliser les gaz au sein de la pile ;
- de collecter le courant électrique généré ;
- de gérer les flux de dioxygène et dihydrogène.
Ces plaques bipolaires peuvent être très fines, de l’ordre de quelques dixièmes de millimètres.
Lorsqu’elles sont métalliques (en aluminium, en acier, en nickel…), elles peuvent être assemblées par soudure laser. La soudure est dans ce cas généralement réalisée par transparence.
Comment choisir le bon sous-traitant en soudure laser ?
Les nombreux atouts de la soudure laser
De manière générale, la soudure laser revêt de nombreux avantages pour réaliser ce type de composant : finesse du cordon, faible déformation de l’assemblage et rapidité de mise en œuvre avec possible automatisation.
Connectées à des circuits d’hydrogène et d’oxygène, en lien avec des réseaux électriques, les piles à combustible sont des systèmes dont la fabrication est complexe. L’étanchéité de certains composants doit pouvoir être assurée. C’est le cas des plaques métalliques bipolaires pour lesquelles la soudure laser est particulièrement indiquée.
Pour ce type de pièces sensibles, l’étanchéité de l’assemblage revêt donc également toute son importance.
Pour ce type de soudure exigeante, les équipes de Laser Rhône Alpes sont là pour vous guider, fortes de 15 ans d’expérience et d’un programme de R&D dédié à la soudure laser !
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