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Les piles à combustible peuvent être utilisées comme source d'électricité compacte et transportable dans des voitures électriques, mais par exemple aussi dans des appareils électroniques ou dans des maisons d'habitation. Les piles à combustible ne génèrent aucun gaz d'échappement nocif sur le lieu d'utilisation et pourraient contribuer à ce que l'air reste propre dans les villes. Si en plus l'hydrogène est produit à partir d'énergies primaires non fossiles – par ex. au moyen de l'énergie solaire – la cellule à combustible génère une énergie propre, pauvre en CO₂.

Depuis de nombreuses années, le PSI est engagé dans toutes les étapes de la recherche en matière de piles à combustible, et ce de l'optimisation de composants isolés au développement de systèmes complets de piles à combustible. Une des particularités de la recherche au PSI est l'utilisation intensive de méthodes de recherche avec les grands appareils du PSI, qui permettent d'examiner de façon unique l'intérieur des piles à combustible et des matériaux utilisés. Les chercheurs peuvent ainsi comprendre les fondements des processus intervenant dans la pile et les améliorer de manière très ciblée.

Les piles à combustible pourraient apporter une contribution importante au système énergétique de l'avenir. Celui-ci doit être graduellement transformé d'ici 2050. Un aspect important du paquet de mesures du gouvernement fédéral formulé dans la Stratégie énergétique 2050 est le développement des centrales photovoltaïques et éoliennes. Cependant, ils produisent des quantités d'électricité variables selon les conditions météorologiques, l'heure de la journée et la saison. Il faut donc trouver les moyens de les intégrer de manière flexible dans le système énergétique.

Au PSI, les chercheurs explorent le potentiel des piles à combustible à cet égard. Si les centrales photovoltaïques ou éoliennes produisent trop d'électricité, l'énergie peut être stockée temporairement dans l'hydrogène et, au besoin, transformée en électricité via des piles à combustible.

Afin de déterminer le potentiel des piles à combustible pour l'intégration de l'excédent d'énergie, les chercheurs étudient le comportement des piles à combustible dans un environnement opérationnel industriel adapté à ce scénario. Depuis 2016, une plateforme d'essai est à leur disposition au PSI, la plateforme ESI (ESI signifie Energy System Integration). Elle permet aux chercheurs de simuler un environnement industriel à petite échelle.

Dans une pile à combustible à électrolyte polymère, telle que celle qu'on étudie au PSI, l'oxygène et l'hydrogène sont séparés par un film mince – la membrane à électrolyte polymère. Cette membrane ne laisse passer que les noyaux atomiques de l'hydrogène, c'est-à-dire les protons. Les électrons doivent faire un détour par un circuit externe. Ils y sont utilisés sous forme de courant électrique qui peut, par exemple, être utilisé pour faire fonctionner un moteur de voiture. Une telle pile à combustible est composée de plusieurs couches, dont celle du milieu est la membrane. On trouve des deux côtés une mince couche de matériau de catalyse sans laquelle la réaction électrochimique serait impossible et on trouve ensuite une couche de diffusion des gaz. Ces couches poreuses sont composées d'un papier en fibres de carbone et doivent remplir plusieurs tâches à la fois: elles doivent transporter jusqu'à la couche de catalyseur les gaz nécessaires à la réaction, évacuer l'eau produite par la réaction électrochimique et conduire le courant et la chaleur ainsi obtenus.

Bien que les piles à combustible soient actuellement produites en série et que les différents composants soient disponibles dans le commerce, les processus intervenant dans les piles ne sont pas encore véritablement compris en détail. Ainsi, l'un des objectifs de la recherche au PSI est de déterminer l'influence des propriétés des différents matériaux utilisés sur les processus se déroulant dans la pile à combustible et en particulier de repérer les processus qui entravent l'efficacité des piles. De telles études permettent d'optimiser les matériaux utilisés pour la pile à combustible et d'augmenter ainsi l'efficacité des générations futures de piles à combustible.

L'un des processus qui fait l'objet de recherches intensives au PSI est le comportement de l'eau dans une pile à combustible. Il ne faut alors pas oublier que l'eau joue ici plusieurs rôles: l'eau se forme lors de la réaction de l'hydrogène et de l'oxygène et doit ensuite être efficacement évacuée, car elle risque sinon de boucher les pore de la couche de diffusion des gaz, les empêchant ainsi d'atteindre le matériau de catalyse. Mais parallèlement, la membrane ne doit pas sécher, car sinon elle conduirait moins bien les protons – il faut par conséquent qu'il y ait en permanence une quantité d'eau optimale.
Les procédures d'analyses disponibles au PSI permettent d'observer directement les flux d'eau dans une pile à combustible. La tomographie par rayonnement synchrotron montre en détail comment l'eau se comporte entre les fibres de la couche de diffusion des gaz – c'est-à-dire qu'elle permet de suivre son déplacement à travers la couche ou d'observer si elle forme des gouttes dans les pores. L'imagerie neutronique permet en revanche d'observer les flux d'eau dans une pile globalement opérationnelle – et ce, bien que l'eau se trouve derrière un épais cadre en métal.

La recherche sur les piles à combustible au PSI est très diversifiée - par exemple, l'optimisation des couches catalytiques, le développement de nouveaux procédés pour la production de catalyseurs et de membranes plus stables et moins coûteux, et l'étude des flux de gaz à travers la couche de diffusion. Il s'agit d'objectifs de recherche importants qui améliorent la durée de vie utile et l'efficacité des piles à combustible et réduisent les coûts.
L'engagement du PSI s'étend au développement de systèmes de piles à combustible pour des applications spécifiques telles que celles testées sur la plateforme ESI pour le stockage de l’excédent d’énergie. Les chercheurs travaillent en étroite collaboration avec des partenaires de l'industrie.