« Dans l'hydrogène, c'est maintenant que ça se joue ! », lance Vincent Abad, vice-président innovation de Symbio

Destinée à produire 50 000 piles à combustible par an d’ici à 2026-2027, cette usine a été inaugurée en décembre. Comment se passe la mise en route ?

Il y a une grande effervescence ! Il y a beaucoup de premières, de procédés différents et nouveaux à mettre en route et à qualifier. Nous sommes déjà dans la phase de présérie pour l’un de nos systèmes de pile à combustible, destiné à équiper des utilitaires légers. Dans l’automobile, cela signifie fabriquer les produits finaux avec les équipements qui seront utilisés pour la production en série et maîtriser progressivement la performance industrielle. Nous sommes à la veille du « start of production », prévu fin juin. Nous augmenterons ensuite les cadences jusqu’à atteindre un rythme annuel de 16 000 unités en fin d’année. Fabriquer une pile à combustible est une opération délicate, surtout quand vous voulez produire en grande série. La complexité de cette mise en route vient aussi du fait que nous allons de la fabrication des couches catalytiques, ce qui est rare dans notre industrie, jusqu’au système complet qui compte environ 200 composants.

Comment produisez-vous vos piles ?

On part d’une membrane de 8 à 20 microns d’épaisseur en polymère fluoré, de type ionomère, dont on enduit chaque face d’une épaisseur similaire de catalyseur. Il s’agit de platine sur du noir de carbone qu’il faut manipuler avec précaution. Chaque face est ensuite recouverte d’un feutre de carbone d’environ 200 microns qui assure la diffusion des gaz jusqu’aux sites catalytiques et qui conduit les électrons hors de la zone active. Enfin, toujours de chaque côté, un intercalaire en plastique découpé pour épouser les contours d’une face est appliqué pour fermer le tout. On obtient une cellule électrochimique appelée assemblage électrode-membrane (MEA). L’étape suivante consiste à empiler ces cellules en alternance avec des plaques bipolaires pour former la pile proprement dite, le « stack ». C’est une opération critique demandant un grand savoir-faire.

Que sont ces plaques bipolaires et pourquoi leur empilement avec les cellules est-il critique ?

Ces plaques, que nous fabriquons en métal, sont creusées de microcanaux permettant d’apporter les gaz nécessaires à la réaction électrochimique : d’un côté l’hydrogène, de l’autre, l’oxygène de l’air. Elles sont percées aux deux extrémités de trous par lesquels arriveront ces gaz et circulera le fluide de refroidissement. Tous ces éléments, ainsi que les joints posés sur chacun de ces trous, doivent être soigneusement alignés et la compression de ce sandwich implique une grande maîtrise. L’enjeu est d’obtenir une bonne étanchéité et une résistance de contact faible et homogène sur toute la surface de la cellule. L’exigence de qualité est très élevée : qu’une surpression locale dégrade la performance d’une cellule et c’est tout le stack de 250 à 400 cellules qu’il faut reprendre !

Dans l’hydrogène, les fabricants d’électrolyseurs sont menacés par des acteurs chinois très agressifs sur les prix. Voyez-vous la même concurrence sur les piles à combustible ?

Dans les piles à combustible, c’est une course qui a démarré avec les Chinois, mais aussi les Américains.

Les Chinois ont toujours eu une activité sur les piles à combustible, même s’ils utilisaient surtout des plaques bipolaires en graphite. Aujourd’hui, c’est certain, ils ont décidé d’accélérer aussi sur les piles et des acteurs significatifs se sont lancés dans des produits à plaques métalliques également. Il y aura donc de la concurrence chinoise à venir, sans aucun doute, et la capacité de l’État chinois à aligner tout un écosystème lui donnera un avantage probable. Pour autant, je crois que l’Europe se donne les moyens. Le soutien à notre projet industriel en témoigne. On aimerait que tout aille plus vite, il faut soutenir notamment la mise en place d’un réseau de distribution et l’accès à un hydrogène décarboné compétitif… Mais beaucoup d’actions sont déjà en cours en Europe. Il faut néanmoins rester lucide, c’est une course qui a démarré, avec les Chinois, mais aussi les Américains. Rien n’est encore établi, mais c’est maintenant que cela se joue.

Come Sittler

L'usine de Symbio se distingue par ses volumes de production visés et son niveau d'automatisation, affirme Vincent Abad. (Photo : Côme Sittler)

Quelle est votre stratégie pour vous distinguer dans cette course qui s’est engagée ?

La réduction du coût des piles est essentielle pour faire décoller le marché et la montée en volume de production en sera la clé. Notre stratégie est donc d’atteindre rapidement la production de masse. Notre gigafactory nous en donne les moyens et nous avons l’avantage de cibler un segment, les utilitaires légers, qui va être le premier à atteindre une grande taille. La technologie est prête, la volonté des constructeurs est là et le besoin d’un réseau de stations hydrogène est moindre puisqu’un utilitaire rayonne souvent autour d’un point central, où il suffit d’installer une borne. A contrario, les Chinois et les Américains ont choisi de commencer par les camions, qui auront besoin d’un maillage de bornes hydrogène et pour lesquels la technologie de pile demande de plus longues validations.

Pouvez-vous vous démarquer par l’innovation dans les procédés ou la production d’une pile est-elle « standardisée » ?

L’accélération dans l’hydrogène est très récente, je ne crois pas qu’on puisse parler de standard dans la production. Notre usine se distingue par les volumes visés et son niveau d’automatisation. Je crois que nous sommes la plus grande unité de production en Europe et même chez des acteurs historiques ayant produit des volumes significatifs, je n’ai pas vu d’automatisation poussée. Nous avons dû développer nos propres machines. Il peut s’agir de transposer des procédés connus dans d’autres secteurs, comme l’enduction, mais même cela peut être très complexe. Par exemple, nos plaques bipolaires sont fabriquées en assemblant deux feuilles de métal estampées. L’estampage est évidemment un procédé classique, mais leur design, destiné à faire circuler les gaz est très particulier. Il y a une multitude de canaux fins et très précis à former, avec des ondulations, pour assurer l’homogénéité de la répartition, obtenir les débits voulus, gérer les gouttes d’eau, la collecte… Au point que la fabrication des moules nous a amenés à repousser les limites du micro-usinage en partenariat avec nos fournisseurs.

Quel est votre objectif de réduction des coûts ? Et comment comptez-vous l’atteindre ?

Par rapport à aujourd’hui, nous voulons diviser le coût d’un système par, disons, plus d’un facteur 2. Environ la moitié de cette réduction devrait venir de notre écosystème de fournisseurs avec les effets de volume. Les gains de notre côté viendront d’innovations dans les produits et procédés – les deux sont étroitement liés dans notre industrie. Nous travaillons ainsi sur l’intégration de fonctions pour réduire le nombre de composants et d’opérations d’assemblage. Par exemple, on doit aujourd’hui poser avec soin des joints flottants entre les plaques bipolaires lors de l’empilement. Si le joint devient intégré à une pièce, on gagnera en efficacité et en qualité, donc en coût. Nous cherchons aussi à réduire la quantité de platine dans nos piles et visons à utiliser 95 % de platine recyclé à l’horizon 2030, grâce au gisement que représentent les pots catalytiques en fin de vie.

Les performances des piles, par exemple le rendement énergétique, peuvent-elles encore beaucoup s’améliorer ?

Nous comptons passer de 3,9 à 4,9 kW/litre, puis à 6. Et nous avons déjà démontré que nous pouvons aller encore plus loin.

L’efficience des piles, le rapport entre l’électricité produite et l’énergie de l’hydrogène initial, est autour de 50 %. On cherche bien sûr à l’augmenter pour avoir plus d’électricité... mais aussi moins de chaleur à évacuer. Il faut bien se rendre compte qu’une pile de 40 kW électriques, c’est 40 kW thermiques à gérer ! Cependant, cette efficience est limitée par la performance du catalyseur et je ne pense pas que l’on puisse progresser de plus de quelques points de pourcentage dans la décennie à venir. En revanche, on peut gagner beaucoup en densité de puissance en aplatissant la courbe de polarisation. Cette courbe représente la tension de la pile en fonction du courant débité. À très faible courant, seule l’efficacité du catalyseur limite la tension. Ensuite, les résistances dans l’empilement dissipent l’énergie, provoquant une baisse régulière de la tension quand le courant augmente. À haute intensité, la tension chute car, pour simplifier, les molécules de gaz n’arrivent pas assez vite au contact du catalyseur. Donc vous pouvez gagner en densité de puissance si vous réduisez les résistances internes de la pile et, surtout, si vous êtes capables d’apporter les molécules de gaz beaucoup plus vite là où il faut pour aller vers de plus grandes densités de courant. C’est comme cela que nous comptons passer de 3,9 à 4,9 kW/litre, puis à 6. Et nous avons déjà démontré que nous pouvons aller encore plus loin.

La plupart des équipements liés à l’hydrogène-énergie doivent encore faire leurs preuves en usage réel. Qu’en est-il des piles, notamment de leur durée de vie ?

Il y a beaucoup de choses qui sont dites sur la durabilité des piles, mais il n’y a en fait pas beaucoup de résultats robustes. Car cela dépend énormément de la manière dont vous les utilisez. Une pile qui tient 20 000 heures dans le mode d’utilisation le plus favorable peut lâcher au bout de 500 heures dans le mode le plus pénalisant. On ne peut donc parler d’une durabilité que pour un usage donné. Et la capacité à savoir comment votre pile est éprouvée en usage réel et à trouver les solutions pour limiter sa dégradation est essentielle. Nous avons déjà largement travaillé sur le sujet, bien sûr, mais le déploiement massif de nos systèmes avec les utilitaires légers va nous permettre de vite progresser et d’explorer ces queues de distribution qui posent souvent problème dans l’automobile. C’est un autre avantage à être parmi les premiers à bouger !

Les appels de puissance sont-ils les principaux responsables de la dégradation des piles ? L’hybridation avec des batteries électriques est-elle toujours envisagée pour les limiter ?

Il y a plusieurs mécanismes de dégradation, dont l’importance varie suivant l’usage de la pile. Le cyclage en potentiel lors des variations de puissance peut provoquer une dissolution des nanoparticules de platine, qui se précipitent ensuite au mauvais endroit et sont perdues pour la catalyse ; le noir de carbone qui porte le platine peut se corroder, avec des sortes de blocs qui se détachent ; des radicaux libres peuvent se créer et attaquer la membrane… L’utilisation de batteries pour soutenir la pile à hydrogène dans ces appels de puissance et pour limiter les arrêts-démarrages peut en effet aider. L’hybridation avec les batteries est un sujet clé pour la durabilité et toutes sortes de scénarios sont envisagés. Cela dépend avant tout des cas d’usage, de la place que vous avez dans votre véhicule et du poids que vous pouvez rajouter.

Quelle est votre appréciation de la maturité des technologies sur l’ensemble de la chaîne de l’hydrogène, de la production à l’usage ? Qu’est-ce qui pourrait freiner ?

Ma conviction est qu’il y a déjà de nombreuses technologies éprouvées, comme sur le transport et la compression, car l’hydrogène est utilisé depuis longtemps dans l’industrie. Mais il y a aujourd’hui une incertitude sur les technologies de production d’hydrogène par électrolyse. Entre les électrolyseurs alcalins, à membrane échangeuse de proton, ou encore à oxyde solide, plusieurs technologies sont en concurrence et la question de savoir laquelle aura le meilleur rendement ou le meilleur coût de revient n’est pas tranchée. Je crois que cela freine les investisseurs, qui attendent d’y voir plus clair. Ce qui fait que la production d’hydrogène ne monte pas assez vite en puissance. 

Propos recueillis par Manuel Moragues