La croissance du marché des matériaux pour piles à combustible PEM est tirée par le secteur des transports, rapporte IDTechEx

Avec l'essor de l'économie de l'hydrogène, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) font l'objet d'une innovation permanente, notamment en ce qui concerne le développement des matériaux. Des matériaux dominants sont utilisés pour certains composants, mais d'autres options concurrentielles émergent, et le paysage technologique commence à se modifier. Outre la couverture de la demande croissante de composants, l'analyse de la chaîne d'approvisionnement et l'évaluation des principales tendances technologiques, IDTechEx prévoit que le marché des matériaux pour les piles à combustible PEM dépassera une valeur de 8 milliards de dollars US d'ici 2034.

 

Avec la poussée vers des transports sans émissions, menée à la fois par la politique gouvernementale et la demande des consommateurs, le marché des solutions alimentées par des piles à combustible devrait croître dans les années à venir. Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) ont connu un certain succès, en particulier pour les véhicules particuliers (voitures), avec la Toyota Mirai et la Hyundai NEXO bien établies sur le marché. Le secteur des poids lourds offre également des possibilités croissantes, avec des camions et des autobus alimentés par des piles à combustible et capables de fonctionner d'un pôle à l'autre sans avoir besoin d'un vaste réseau de ravitaillement. Au-delà des véhicules routiers, les piles à combustible trouveront des débouchés dans les applications marines et les trains à émissions nulles.

 

La croissance du marché des piles à combustible dans les applications de transport entraînera inévitablement une augmentation de la demande de matériaux et de composants pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM). IDTechEx a publié un nouveau rapport intitulé "Matériaux pour piles à combustible PEM 2024-2034 : technologies, marchés, acteurs", qui comprend des prévisions granulaires sur 10 ans, segmentées par type de véhicule, pour les principaux composants des piles à combustible en termes d'unités et de volume, tout en détaillant la valeur associée à chaque composant. Au-delà des prévisions granulaires du marché, le rapport comprend une évaluation des acteurs, une analyse comparative des technologies et une analyse des tendances pour les matériaux et les composants incorporés dans les piles à combustible PEM.

 

 

Une pile à combustible PEM se compose de plusieurs éléments clés, tandis que plusieurs cellules sont combinées pour former une pile de piles à combustible. La plaque bipolaire (BPP) répartit le combustible entre les piles à combustible avant que la couche de diffusion gazeuse (GDL) ne transporte les réactifs et les produits vers/depuis la couche de catalyseur. Le catalyseur est enduit sur la membrane (CCM), tandis que la membrane elle-même transporte les protons d'un côté à l'autre de la pile à combustible. Collectivement, la PEM, la CCM et la GDL sont connues sous le nom d'assemblage membrane-électrode (AME). Le marché des piles à combustible PEM pour les transports devrait croître à un taux de croissance annuel moyen de 28 % entre 2024 et 2034, mais il reste des questions clés à résoudre en ce qui concerne les composants utilisés dans les piles à combustible.

 

Les BPP constituent l'épine dorsale de la pile à combustible, en fournissant un support structurel, en séparant les combustibles gazeux oxygène et hydrogène, ainsi qu'en collectant le courant généré dans la pile. La résistance mécanique, la résistance à la corrosion, la conductivité électrique et la conductivité thermique sont toutes d'une importance vitale, tandis que le facteur de forme des canaux du champ d'écoulement des plaques doit également être pris en compte. Dans le rapport IDTechEx, les deux choix de matériaux dominants pour les BPP, le graphite et le métal, font l'objet d'une analyse comparative, y compris une analyse des fournisseurs de composants, de leurs choix de matériaux et des accords de la chaîne d'approvisionnement avec les OEM.

 

L'AME est un composant majeur des piles à combustible, qui comprend la membrane d'échange de protons, la CCM et la GDL. La GDL est sans doute le plus simple des composants des piles à combustible, mais elle joue un rôle majeur dans la gestion de l'eau à l'intérieur de la cellule elle-même. Le rapport présente les principaux acteurs de ce segment de marché, ainsi que les différentiateurs technologiques et les informations relatives aux équipementiers qui sont approvisionnés. En outre, une discussion sur les tendances matérielles est menée en ce qui concerne l'amélioration de la capacité de la GDL à permettre la gestion de l'eau au sein de la cellule.

 

Le PEM permet le transport des protons d'un côté à l'autre de la cellule et se compose généralement d'une famille spécifique de polymères appelée ionomère. Le leader du marché est le Nafion, un produit Chemours ; cependant, plusieurs autres matériaux ionomères alternatifs sont sur le marché. L'un des principaux sujets de discussion concernant les PEM est l'impact potentiel d'une politique réglementant l'utilisation des matériaux PFAS, qui constituent actuellement le choix dominant pour les piles à combustible. IDTechEx fournit une analyse comparative des matériaux membranaires alternatifs par rapport à l'opérateur historique en ce qui concerne trois des paramètres les plus importants pour les PEM : la résistance électrique, la capacité d'échange d'ions (IEC) et l'épaisseur de la membrane. Une résistance électrique élevée est nécessaire pour éviter que la pile à combustible ne soit court-circuitée, tandis que des membranes minces et de grande capacité d'échange d'ions permettent un transport rapide des protons à travers la pile, ce qui en accroît les performances. De nouveaux matériaux alternatifs sont de plus en plus utilisés comme membranes d'échange de protons, tels que les hydrocarbures et les cadres métallo-organiques (MOF), en particulier si l'on tient compte des restrictions potentielles concernant les PFAS.

 

Un domaine d'importance critique pour les piles à combustible PEM est l'incorporation d'un matériau catalytique dans la pile pour permettre à la réaction chimique de se produire efficacement à des températures inférieures à 100°C, permettant les conditions aqueuses dont la PEM a besoin pour le transport des protons. En général, le platine et d'autres métaux du groupe du platine (MGP) sont utilisés comme catalyseurs. Toutefois, le coût élevé de ces métaux précieux empêche de réduire le coût de l'ensemble de la pile à combustible. Le rapport d'IDTechEx détaille les principaux fournisseurs de catalyseurs à base de platine aux équipementiers et prévoit la demande de matériaux à base de platine et la valeur associée à l'intégration de ces métaux dans une pile à combustible. La recherche et le développement dans le domaine des piles à combustible se concentrent sur la réduction du coût du catalyseur, soit en limitant le volume de platine nécessaire, soit en trouvant d'autres matériaux catalytiques.

 

Pour plus de détails sur la demande de matériaux, les tendances et les nouvelles solutions de remplacement pour les composants des piles à combustible PEM, voir l'étude de marché IDTechEx "Matériaux pour piles à combustible PEM 2024-2034 : technologies, marchés, acteurs".