Le bois pourrait bien être à la base des piles du futur, plus performantes et plus vertes.
Ces temps-ci, les piles à hydrogène ont la cote. Il faut dire qu’elles produisent de l’électricité grâce à la simple mise en contact de l’hydrogène et de l’oxygène de l’air. La cerise sur le gâteau : elles ne rejettent que de l’eau.
Partout dans le monde, les parcs de voitures, de bus et de trains fonctionnant déjà grâce à ces piles ne cessent de croître. « Ils ne produisent pas de bruit et n’émettent pas de gaz d’échappement, et vous pourriez boire l’eau qui en ressort : elle est 100 fois plus pure que l’eau du robinet », précise Samaneh Shahgaldi, professeure au Département de chimie, biochimie et physique de l’Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR).
Cela dit, ces piles dites « à combustible » ne sont pas totalement vertes. Elles intègrent des composants fabriqués à partir de carbone issu de produits pétroliers. La chercheuse et son équipe veulent contourner le problème en utilisant… du bois. Et plus précisément de la lignine, l’un des principaux composants des plantes.
L’idée est de valoriser les déchets de l’industrie forestière, présents en quantité faramineuse au Québec. « On est d’ailleurs à la recherche d’entreprises intéressées par une collaboration ! » lance la chercheuse au passage, le but ultime étant de trouver un partenaire souhaitant se débarrasser de sa lignine (du côté de l’industrie des pâtes et papiers, par exemple).
Pile à combustible 101
Les piles à hydrogène fonctionnent sur le principe d’une réaction électrochimique entre l’oxygène et l’hydrogène. Celle-ci se produit entre deux électrodes, l’anode et la cathode, qui contiennent du platine. Ce métal rare agit comme catalyseur : il facilite la réaction chimique. Du côté de l’anode, des électrons sont arrachés à l’hydrogène, qui devient H+. Du côté de la cathode, les électrons se recombinent avec les protons H+ et de l’oxygène pour former de l’eau, H2O. Entre les deux, une membrane très fine ne laisse passer que les ions chargés positivement. Les électrons, chargés négativement, doivent emprunter un détour, créant ainsi le courant électrique.
Quels éléments de la pile exactement veut-elle remplacer ? « Tous », répond-elle en riant, même si elle ajoute que les travaux en sont encore à un stade préliminaire. « La COVID-19 nous a énormément retardés, mais on espère avoir un prototype en janvier 2023 », explique la chercheuse, qui dirige la Chaire de recherche du Canada sur les piles à combustible à base de lignine.
S’il existe une dizaine de modèles de piles à combustible à l’heure actuelle, Samaneh Shahgaldi se concentre sur des modèles compacts particulièrement adaptés aux transports et aux ordinateurs portables. Leur nom : piles à hydrogène à membrane électrolytique polymère, ou PEM. C’est notamment cette membrane que la chercheuse et son équipe tentent de concevoir grâce au carbone tiré de la lignine. Mais tous les composants de la pile qui sont susceptibles de contenir du carbone sont visés : le support du catalyseur, ou encore la couche poreuse qui permet la diffusion des gaz, tous deux des éléments des électrodes (voyez l’encadré).
Lorsqu’elles sont fabriquées à partir de cette biomolécule, les minuscules nanofibres de carbone qui composent plusieurs des éléments de la pile coûtent moins cher à produire et sont plus performantes, d’après la professeure.
Il demeure un grave problème : 95 % de l’hydrogène est pour l’instant produit à partir de gaz naturel ou de charbon dans le monde. Et qu’en est-il au Québec ? Le combustible nécessaire au fonctionnement de la pile serait produit de façon écologique en utilisant l’hydroélectricité, autre ressource accessible de la Belle Province. Le tout permettrait alors de créer une « boucle d’énergie verte et durable », espère la chercheuse, pour réduire l’empreinte carbone de notre système énergétique. La suite en 2023, donc !
Article publié dans le magazine Québec Science de novembre 2022