Innovation dans le domaine des piles à combustible à ammoniac

Il y a deux ans, l'Initiative de recherche innovatrice a proposé un financement aux laboratoires canadiens, provinciaux et fédéraux, pour des propositions d'études sur l'atténuation des émissions de gaz à effet de serre (GES) ou d'autres émissions. Le projet de l'équipe de recherche sur les piles à combustible à ammoniac du Centre de la technologie de l'énergie de CANMET (CTEC) d'Ottawa a été un de ceux retenus. Cette équipe a donc développé une nouvelle pile à combustible à ammoniac au cours des deux dernières années.

Bien que les piles à combustible aient été connues dès le 19e siècle, cette technologie n'a pas fait l'objet d'un développement généralisé, car on n'a pas encore trouvé de source d'hydrogène stable et rentable. Récemment, l'utilisation d'ammoniac anhydre¹, porteur d'hydrogène, a été envisagée. Nous sommes nombreux à utiliser de l'ammoniac dissous dans l'eau à des fins domestiques; l'ammoniac anhydre est tout simplement de l'ammoniac pur non dilué. En tant que combustible, l'ammoniac présente plusieurs avantages par rapport à l'hydrogène pur ou à d'autres composé porteurs d'hydrogène. Premièrement, il existe une infrastructure pour l'ammoniac, en raison de son utilisation actuelle par l'industrie agricole; ses caractéristiques de manipulation et de transport en toute sécurité sont bien établies. En tant que deuxième produit chimique le plus produit au monde, il existe déjà aux États-Unis un réseau de 2 000 miles de pipelines pour le transport de l'ammoniac anhydre et, contrairement à l'hydrogène, l'ammoniac peut être facilement transporté par bateau-citerne. La production de CO₂ , par séparation, lors de la production d'ammoniac constitue une retombée intéressante. Ceci signifie que les piles à combustible à ammoniac pourraient être considérées comme neutre du point de vue du CO₂, si le CO₂ séparé lors de l'étape de production était séquestré au moyen de méthodes géologiques d'entreposage, comme l'entreposage sous-marin ou souterrain actuellement mis au point à travers le monde.

Les piles à combustible à ammoniac sont typiquement constituées d'une membrane échangeuse de protons (MEP), pour décomposer le gaz hydrogène (H₂) en protons, et d'un réacteur pour le craquage catalytique de l'ammoniac, qui produit un gaz d'alimentation à 75 % d'hydrogène et 25 % d'azote. Le coût du système de craquage et le peu de possibilité de récupération de la chaleur dégagée par la pile pour le craquage constituent des freins à cette approche. La pile à combustible développée par le CTEC d'Ottawa est tout à fait différente à cet égard.

La pile du CTEC est une pile à combustible à oxyde solide (PCOS), qui fonctionne à une température plus élevée que celle des piles à MEP. À environ 700 ºC, il n'est plus nécessaire de procéder au craquage de l'ammoniac dans un dispositif externe, car la décomposition a lieu directement dans le compartiment de l'anode. Les protons sont produits à l'anode, puis transportés au travers de l'électrolyte solide en céramique vers la cathode. À la cathode, ils réagissent avec les ions oxygène en surface, produits à partir de l'air. Les seuls sous-produits sont de l'eau et de l'azote (McFarlan, Pelletier et Maffel, 2004). Pour le développement des matériaux céramiques de l'électrolyte, l'équipe du LTEC a collaboré avec un autre laboratoire de CANMET, le Laboratoire de technologie des matériaux.

Alors que les piles à combustible à MEP conviennent mieux pour des applications mobiles, les PCOS sont mieux adaptées comme source d'énergie stationnaire et pour des applications combinées chaleur/puissance. Parmi les applications potentielles des PCOS, on retrouve la réfrigération industrielle, les alimentations non interruptibles pour les grands ordinateurs ou les hôpitaux.

Le programme de piles à combustible à ammoniac du CTEC d'Ottawa en est à un stade précoce de développement. Après avoir publié deux articles dans des journaux à examen par des pairs, les chercheurs du CTEC étudie aussi le potentiel commercial de cette technologie, avec le soutien de l'Initiative en innovation et technologie pour la production distribuée d'électricité. On étudie éaglement la rentabilité du cycle de vie, avec comme objectif le développement d'applications commerciales de centrales énergétiques fixes, d'une puissance allant de 10 à 200 kW. Les résultats d'une étude de faisabilité contribueront à la planification des prochaines étapes de ce projet.

De nouvelles possibilités d'utilisation de l'ammoniac comme combustible sont encore avancées. Le travail innovateur réalisé au CTEC d'Ottawa transforme cette possibilité en une réalité.

¹ On entend par ammoniac anhydre de l'ammoniac pur, sans eau. L'ammoniac anhydre est un gaz incolore et transparent aux conditions normales de pression et de température. Il a une odeur très caractéristique.