Stockage de l’hydrogène

Introduction

Le parc automobile contribue fortement à la détérioration de la qualité de l’air dans les grandes villes. L’utilisation de l’hydrogène comme carburant est intéressante car sa combustion ne libère, en principe, aucun polluant. De plus, le contenu énergétique de l’hydrogène est élevé. Toutefois, quelques obstacles demeurent, dont le stockage de ce gaz faiblement compressible.

Solutions de stockage pour l’hydrogène

Le Département de l’énergie des États-Unis (DOE) a fixé deux critères d’évaluation pour les technologies de stockage de l’hydrogène appliquées au domaine du transport automobile. Le premier critère limite la masse du réservoir en exigeant que le rapport entre la masse d’hydrogène stocké et la masse totale du réservoir soit supérieur à 0,065 (6,5% massique). Le second critère impose une taille maximale pour le réservoir : la densité volumétrique du système doit être supérieure à 62 kg/m.

Les principales voies explorées pour résoudre le problème du stockage sont au nombre de quatre :

• Compression ou liquéfaction de l’hydrogène
• Hydrures métalliques
• Réservoirs chimiques
• Matériaux adsorbants

Nous présentons à la Figure 2 la position des techniques de stockage d’hydrogène disponibles sur le marché par rapport à la cible du DOE. Pour satisfaire à la cible du DOE, une technique doit être située dans la zone ombragée. Les nanostructures de carbone ne figurent pas à la Figure 2 car elles n’ont pas encore été commercialisées.

Nanotubes de carbone

À l’état solide, le carbone peut exister sous trois formes cristallines différentes nommées allotropes. Le diamant et le graphite sont les deux allotropes les plus connus du carbone. Le troisième allotrope du carbone regroupe les structures de type fullerènes. Il s’agit d’une nouvelle classe de matériaux qui sont formée par l’enroulement sphérique ou cylindrique de plans graphitiques.

De la classe des fullerènes, les nanotubes sont formés de plans graphitiques enroulés sur eux-mêmes (voir Figure 3 ci-dessous). Le diamètre de ces tubes est de l’ordre du nanomètre.

Les nanotubes sont des matériaux ayant une porosité très élevée. Cette propriété lui permet d’adsorber de nombreux gaz dont l’hydrogène.

Stockage de l’hydrogène dans les nanotubes de carbone

Les résultats expérimentaux obtenus lors de l’évaluation de la capacité de stockage de l’hydrogène dans les nanotubes de carbone fluctuent significativement d’un groupe de recherche à un autre. Certains groupes (Dillon et al., Chambers et al.) ont obtenus des résultats qui indiquent que ce matériau permet d’atteindre la cible du DOE. D’autres (Ahn et al., Hirscher et al.), indiquent le contraire.

Nous avons choisi d’évaluer la capacité de stockage des nanotubes à l’aide de simulations numériques Monte-Carlo. Nos résultats indiquent que les nanotubes de carbone mono-parois peuvent emmagasiner entre 0,22% et 0,79% massique (3,95 à 7,94 kg/m) d’hydrogène à température ambiante et sous une pression de 10 MPa.

Conclusion

Nos résultats obtenus avec des nanostructures de carbone sont en deça de la cible fixée par le DOE. Par conséquent, de telles structures semblent peu appropriées pour le stockage de l’hydrogène dans les applications reliées au domaine de l’automobile. Cependant, nous avons obtenu des résultats intéressants en considérant la présence d’impuretés métalliques dispersées au travers des nanotubes. Pour en savoir plus, nous vous invitons à consulter ce mémoire de maîtrise et cet article publié dans la revue Carbon :

P. Guay, Modélisation Monte-Carlo de l’adsorption de l’hydrogène dans les nanostructures de carbone, INRS-EMT, Montréal, 2003 (pdf)

P. Guay, B. L. Stansfield and A. Rochefort, On the Control of Carbon Nanostructures for Hydrogen Storage Applications, Carbon 42 (2004), 2187-2193 (abstract) (pdf)

Nous rendons également disponible la revue de la littérature que nous avons effectuée sur le sujet.

Auteur : Patrice Guay