Guide du marché des plaques bipolaires et des plaques bipolaires en graphite flexible

Que sont Plaques bipolaires ?

Les plaques bipolaires sont des composants structurels et fonctionnels au cœur des cellules électrochimiques, principalement Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) et des batteries à flux. Chaque plaque entre simultanément en contact avec l'anode d'une cellule et la cathode de la cellule adjacente, les empilant électriquement en série tout en séparant physiquement les gaz réactifs. Dans une pile à hydrogène PEM, les plaques bipolaires gèrent trois fonctions simultanées : distribuer l'hydrogène et l'oxygène à travers des canaux de champ d'écoulement usinés ou moulés, conduire les électrons entre les cellules et éliminer la chaleur et l'eau produites par la réaction électrochimique.

Les plaques bipolaires représentent 60 à 80 % du poids total et environ 30 à 40 % du coût total d'une pile à combustible PEM, faisant de la sélection des matériaux et de la méthode de fabrication les facteurs dominants en matière de performances, de durabilité et de viabilité commerciale de la pile. Le matériau idéal pour les plaques bipolaires combine une conductivité électrique élevée, une faible perméabilité aux gaz, une forte résistance à la corrosion dans les environnements électrolytiques acides (pH 2 à 4), une résistance mécanique suffisante pour gérer la compression de l'assemblage et une densité suffisamment faible pour atteindre les objectifs de densité de puissance gravimétrique dans les applications de transport.

Matériaux utilisés dans la fabrication de plaques bipolaires

Trois principales catégories de matériaux sont en compétition dans la production de plaques bipolaires, chacune avec des compromis distincts en termes de conductivité, de poids, de résistance à la corrosion, de fabricabilité et de coût.

Le graphite usiné reste la référence pour les applications de laboratoire et stationnaires où le coût et le poids sont secondaires par rapport à la cohérence des performances. Les plaques métalliques – en acier inoxydable estampé avec des revêtements PVD ou dorés – dominent les piles à combustible automobiles (Toyota Mirai, Hyundai NEXO) car leur haute résistance mécanique permet des plaques aussi fines que 0,1 à 0,2 mm , permettant des piles compactes à haute densité de puissance. Les composites flexibles à base de graphite et de polymères occupent une position intermédiaire pour la production d'énergie stationnaire, l'alimentation de secours et les marchés émergents des électrolyseurs.

Plaques bipolaires flexibles en graphite : propriétés et fabrication

Le graphite flexible – également appelé graphite expansé ou graphite exfolié – est produit en intercalant du graphite naturel en paillettes avec de l'acide sulfurique ou nitrique, puis en le chauffant rapidement à des températures supérieures à 800°C. Le choc thermique provoque une expansion des couches de graphite perpendiculairement au plan basal d'un facteur de 200 à 400× , produisant une structure vermiculaire en forme d'accordéon qui peut être compressée au rouleau en feuilles d'aluminium denses et auto-adhésives sans aucun liant polymère.

Cette composition sans liant est un différenciateur clé. Les composites de graphite liés aux polymères contiennent 20 à 40 % de résine en poids, ce qui réduit la conductivité et introduit une phase organique qui peut se dégrader dans les conditions oxydantes à l'intérieur d'une pile à combustible. En revanche, la feuille de graphite flexible est 99 % de carbone pur , ce qui lui confère une stabilité chimique sur toute la plage de pH de fonctionnement des piles à combustible et des batteries à flux PEM, ainsi qu'une stabilité thermique jusqu'à plus de 450 °C dans des atmosphères non oxydantes.

Méthodes de formation de champs d'écoulement

Les canaux qui distribuent les gaz réactifs sur la surface de l'assemblage membrane-électrode (MEA) peuvent être formés dans du graphite flexible par plusieurs processus :

• Moulage par compression — la méthode la plus courante. Une matrice en acier usiné presse le motif de canal dans la feuille de graphite flexible sous chaleur et pression. Des temps de cycle de 1 à 3 minutes permettent des volumes de production modérés.
• Gaufrage au rouleau — processus continu utilisant des rouleaux gravés pour imprimer la géométrie des canaux dans les feuilles. Adapté à la production en grand volume et aux profils de section cohérents.
• Usinage CNC — utilisé pour les prototypes et les travaux à faible volume où l'investissement en outillage pour le moulage n'est pas justifié. Plus lent et plus coûteux que le moulage, mais offre une flexibilité de conception maximale.

Un défi de fabrication crucial avec le graphite flexible est son conductivité anisotrope : la conductivité dans le plan (parallèle à la surface de la feuille) est nettement supérieure à la conductivité dans le plan (perpendiculaire à la surface). Étant donné que le courant circule dans le plan dans une pile à combustible, il est essentiel d’optimiser la densité comprimée et la résistance de contact de surface. Les plaques sont généralement compressées à des densités de 1,0 à 1,3 g/cm³ , avec une densité plus élevée améliorant la conductivité à travers le plan mais réduisant la compressibilité qui permet à la plaque de se conformer aux irrégularités de la surface MEA.

Marché des plaques bipolaires en graphite flexible : taille, croissance et moteurs

Le marché mondial des plaques bipolaires était évalué à environ 1,2 à 1,5 milliard de dollars en 2023 et devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 18 à 24 % jusqu’en 2030, principalement grâce au déploiement à grande échelle des piles à combustible PEM dans les transports, l’énergie stationnaire et la production d’hydrogène par électrolyse. Au sein de ce marché plus large, les plaques bipolaires en graphite flexible détiennent une part significative dans les segments de l'alimentation stationnaire et de secours, où leur résistance à la corrosion, leur simplicité de fabrication et l'absence de revêtements de surface coûteux offrent un avantage en termes de coût par rapport aux alternatives métalliques.

Principaux moteurs du marché

• Expansion de l’économie de l’hydrogène — Les stratégies gouvernementales en matière d’hydrogène dans l’UE (REPowerEU), aux États-Unis (crédits d’impôt pour la production d’hydrogène en vertu de la loi sur la réduction de l’inflation), au Japon, en Corée du Sud et en Chine stimulent le déploiement des piles à combustible à une échelle qui était commercialement marginale il y a cinq ans. Chaque mégawatt de capacité PEM installée nécessite des centaines, voire des milliers de plaques bipolaires.
• Mise à l'échelle de l'électrolyseur — Les électrolyseurs PEM pour la production d'hydrogène vert utilisent des plaques bipolaires avec des exigences matérielles similaires à celles des piles à combustible mais dans des conditions de fonctionnement différentes (tension plus élevée, dégagement d'oxygène à l'anode). Selon certaines projections, le marché des électrolyseurs connaît une croissance plus rapide que celui des piles à combustible, créant ainsi une demande parallèle pour les matériaux en plaques de graphite.
• Déploiement de la batterie Flow — Les batteries à flux redox au vanadium (VRFB) et autres systèmes de chimie en flux utilisent des plaques bipolaires pour séparer les compartiments d'électrolyte. La résistance du graphite flexible à l'électrolyte de vanadium (hautement acide et oxydant) en fait un matériau privilégié pour les applications de stockage de longue durée associées à la production d'énergies renouvelables.
• Pression sur la réduction des coûts sur les plaques métalliques — alors que les plaques métalliques estampées dominent les piles automobiles, leur exigence en matière de revêtements anticorrosion à base de métal du groupe du platine ou d'or ajoute des coûts que les fabricants s'efforcent d'éliminer. Cela crée une évaluation continue des alternatives à base de graphite dans les segments non automobiles où la densité de puissance de la pile est moins critique.

Paysage régional

Asie-Pacifique – mené par la Chine, le Japon et la Corée du Sud – détient la plus grande part de la capacité actuelle de production de plaques bipolaires, soutenue par des chaînes d’approvisionnement de piles à combustible verticalement intégrées. La Chine, à elle seule, a fixé des objectifs nationaux pour plus de 50 000 véhicules à pile à hydrogène d’ici 2025 et investit massivement dans le traitement national des matériaux en graphite pour les plaques bipolaires et les anodes de batteries. Europe est le marché qui connaît la croissance la plus rapide en termes de capacité d'électrolyseurs installés, avec des projets tels que l'Alliance européenne pour l'hydrogène propre qui accélèrent la demande. Amérique du Nord se développe principalement grâce à l’énergie stationnaire, aux transports lourds (Hyzon, Nikola, Plug Power) et aux applications de défense.

Les principaux acteurs de l'industrie actifs dans le segment des plaques bipolaires en graphite flexible et en composite de graphite comprennent SGL Carbon, Toray Industries, Dana Incorporated, Schunk Carbon, Mersen et GrafTech International. Plusieurs de ces entreprises sont simultanément des producteurs de matériaux et des fabricants de plaques, ce qui leur confère des avantages d'intégration verticale à mesure que les volumes augmentent.

Défis techniques et orientations de développement

Malgré une forte dynamique du marché, les plaques bipolaires en graphite flexible sont confrontées à plusieurs défis techniques et commerciaux qui façonnent les priorités actuelles de R&D :

• Perméabilité aux gaz à faible épaisseur — Alors que les concepteurs poussent l'épaisseur de la plaque en dessous de 1 mm pour réduire le volume de la pile, le passage de l'hydrogène à travers la feuille de graphite devient un problème de fiabilité. L'imprégnation de résine ou de minces revêtements barrières peuvent atténuer la perméabilité mais réintroduire des phases polymères qui compromettent l'avantage de stabilité chimique du matériau.
• Fragilité mécanique — la feuille de graphite flexible est fragile dans la direction traversante du plan et susceptible de se délaminer en cas de cycles thermiques répétés ou de mauvaises manipulations d'assemblage. Des stratifiés composites – du graphite mince et flexible lié à un support en fibre de carbone ou en polymère – sont en cours de développement pour améliorer la maniabilité sans sacrifier la conductivité.
• Amélioration de la conductivité traversante — atteindre une conductivité traversante supérieure à 100 S/cm à des densités comprimées commercialement viables reste un défi actif en science des matériaux. Les ajouts de nanoplaquettes de graphite orientées et les protocoles de traitement thermique font partie des approches à l’étude.
• Augmenter le rendement de fabrication — La formation de canaux de champ d'écoulement par moulage par compression produit des rendements acceptables en laboratoire, mais le maintien de tolérances dimensionnelles de ± 0,05 mm sur des séries de production à grand volume nécessite un outillage de précision et un contrôle des processus qui augmentent les coûts aux échelles de production actuelles.

Les objectifs techniques du département américain de l'Énergie pour les plaques bipolaires fixent un objectif de résistivité électrique à travers le plan de inférieure à 10 mΩ·cm² et une densité de courant de corrosion inférieure à 1 µA/cm² — des références auxquelles le graphite flexible répond intrinsèquement pour la corrosion mais qui ne s'approchent qu'avec une optimisation minutieuse de la densité et du traitement de surface pour la résistivité. Réaliser les deux simultanément dans une plaque inférieure à 1 mm à l’échelle constitue le défi d’ingénierie central du segment au cours des cinq prochaines années.

Plaques bipolaires dans les batteries à flux et les électrolyseurs

Bien que les piles à combustible PEM retiennent le plus l’attention des plaques bipolaires, ce composant joue un rôle tout aussi essentiel dans deux technologies électrochimiques adjacentes ayant leurs propres trajectoires de croissance de marché substantielles.

Piles à flux redox au vanadium

Dans les VRFB, les plaques bipolaires séparent les demi-cellules positives et négatives et doivent résister à une exposition continue au pentoxyde de vanadium présent dans l'acide sulfurique, l'un des électrolytes les plus chimiquement agressifs dans le stockage d'énergie commercial. Le graphite flexible et les composites carbone-polymère fonctionnent tous deux bien ici, le graphite flexible étant favorisé pour son absence de phases polymères que le vanadium peut dégrader par oxydation. Les déploiements VRFB pour le stockage d'énergie de longue durée à l'échelle du réseau (décharge de 4 à 12 heures) représentent un flux croissant de demande de plaques bipolaires qui est largement indépendant de l’économie de l’hydrogène , offrant une diversification du marché aux producteurs de plaques de graphite.

Électrolyseurs PEM

Les électrolyseurs PEM divisent l'eau en hydrogène et oxygène sous tension appliquée, fonctionnant à des densités de courant plus élevées (2 à 3 A/cm²) et des potentiels d'anode plus élevés que les piles à combustible. L’environnement de dégagement d’oxygène au niveau de l’anode est hautement oxydant, ce qui élimine la plupart des plaques à base de graphite du côté de l’anode – le titane avec revêtements en platine ou en iridium est actuellement la norme. Cependant, le côté cathodique (dégagement d’hydrogène) est plus inoffensif et des plaques à base de graphite sont utilisées dans les applications côté cathode dans certaines conceptions. Alors que les fabricants d'électrolyseurs cherchent à réduire leurs coûts, les plaques de graphite côté cathode constituent une opportunité commerciale réelle, en particulier pour les installations à l'échelle du mégawatt où le coût des matériaux par unité de surface est important.