Du 3 au 5 mars 2010 se sont déroulés à Tokyo le 3e Salon International des Cellules Photovoltaïques (PV Expo 2010), le 6e Salon International de l’Hydrogène et des Piles à Combustible (FC Expo 2010), ainsi que les premières éditions du Salon International de la Batterie (Battery Japan), du Salon International de la Fabrication des Systèmes Photovoltaïques (PV System Expo) et du Salon des Techniques Industrielles pour le Secteur des Energies Renouvelables (Processing Technology Expo). Ce rapport présente les technologies japonaises majeures exposées dans les domaines de l’énergie photovoltaïque (PV Expo), des piles à combustible (FC Expo) et des batteries (Battery Japan).

1. Ambassade de France au Japon
Service pour la Science et la Technologie
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Tél. : 81-3-5798-6034
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Domaine : énergie
Document : rapport d’ambassade
Titre : les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo
Auteurs : Hugues CHATAING (adjoint.ing@ambafrance-jp.org)
Pierre DESTRUEL (attache.ing@ambafrance-jp.org)
Date : mars 2010
Mots-clefs : photovoltaïque, hydrogène, pile à combustible, batterie,
nouvelles énergies
Résumé : Du 3 au 5 mars 2010 se sont déroulés à Tokyo le 3e Salon International
des Cellules Photovoltaïques (PV Expo 2010), le 6e Salon International de
l’Hydrogène et des Piles à Combustible (FC Expo 2010), ainsi que les
premières éditions du Salon International de la Batterie (Battery Japan),
du Salon International de la Fabrication des Systèmes Photovoltaïques
(PV System Expo) et du Salon des Techniques Industrielles pour le
Secteur des Energies Renouvelables (Processing Technology Expo). Ce
rapport présente les technologies japonaises majeures exposées dans les
domaines de l’énergie photovoltaïque (PV Expo), des piles à combustible
(FC Expo) et des batteries (Battery Japan).
NB : Toutes nos publications sont disponibles auprès de l’Agence pour la Diffusion de
l'Information Technologique (ADIT), 2, rue Brûlée, 67 000 STRASBOURG (http://www.adit.fr)

2. Les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo
Du 3 au 5 mars 2010 se sont déroulés à Tokyo le 3e Salon International des Cellules
Photovoltaïques (PV Expo 2010), le 6e Salon International de l’Hydrogène et des Piles à
Combustible (FC Expo 2010), ainsi que les premières éditions du Salon International de la
Batterie (Battery Japan), du Salon International de la Fabrication des Systèmes
Photovoltaïques (PV System Expo) et du Salon des Techniques Industrielles pour le Secteur
des Energies Renouvelables (Processing Technology Expo). Il s’agit d’un grand
rassemblement international (le plus grand au monde en ce qui concerne l’énergie
photovoltaïque) autour des nouvelles énergies, secteur dans lequel le Japon entend bien
jouer le rôle de leader mondial.
Les salons ont attiré 80 000 visiteurs sur trois jours. Les exposants, dont le nombre
dépassait le millier, provenaient de nombreux pays asiatiques (Japon, Taïwan, Corée du Sud,
Chine...), américains (Etats-Unis, Canada…), européens (Allemagne, Suisse, France…) et
océaniens (Australie…).
Fort de ce succès, l’expérience sera renouvelée l’année prochaine (du 2 au 4 mars
2011), avec deux salons supplémentaires : l’Eco House Expo et le Smart Grid Expo. En
attendant, ce rapport propose un aperçu des technologies présentées au cours des trois
salons principaux : PV Expo, FC Expo et Battery Japan.
Bien évidemment, il n’est pas question de dresser ici la liste exhaustive des produits
exposés pendant ces trois jours mais seulement de proposer une sélection des technologies
qui ont attiré notre attention, et ce afin d’offrir au lecteur un panorama des développements
japonais récents dans les domaines de la production d’électricité d’origine photovoltaïque, de
l’hydrogène, et des batteries rechargeables.
N.B. : le taux de change utilisé dans ce document est de 125 yens pour un euro.
Ambassade de France au Japon, mars 2010 2/26

3. Sommaire
PV Expo 2010 ....................................................................................................................... 4
Les différentes technologies photovoltaïques................................................................ 4
Le Silicium ............................................................................................................ 4
Les cellules à base de composés inorganiques autres que le silicium .................. 9
Les cellules organiques et les cellules à colorant.................................................11
L’intégration des modules photovoltaïques aux bâtiments : l’exemple de Mitsubishi et
OM Solar......................................................................................................................13
Le photovoltaïque devient mobile.................................................................................14
FC Expo 2010 ......................................................................................................................16
L’hydrogène pour les véhicules....................................................................................16
L’hydrogène à la maison ..............................................................................................19
L’hydrogène pour les appareils nomades.....................................................................20
Battery Japan .......................................................................................................................21
Les batteries Li-ion.......................................................................................................21
Les batteries Li-polymère.............................................................................................23
Une autre technologie couramment utilisée : le NiMH ..................................................24
La batterie à flux ..........................................................................................................25
Ambassade de France au Japon, mars 2010 3/26

4. PV Expo 2010
PV Expo 2010
PV Expo 2010 a rassemblé 579 exposants provenant de 21 pays. A l’exception
notoire de Sanyo, tous les plus grands industriels japonais du secteur de l’électricité d’origine
photovoltaïque étaient présents sur le salon : Sharp, Kyocera, Mitsubishi, Solar Frontier
(anciennement Showa Shell), etc.
Ce rapport donne tout d’abord une description des différentes technologies
développées par les entreprises nippones. Il présente ensuite quelques exemples
d’application.
Les différentes technologies photovoltaïques
Le Silicium
Qu’il soit multicristallin, polycristallin, monocristallin ou amorphe, le silicium constitue
le matériau de base de la majorité des panneaux solaires actuellement vendus dans le
commerce. La recherche dans le domaine est très active, si bien que les modules affichent
des rendements de conversion de plus en plus élevés.
Kyocera a annoncé le 2 mars de cette année qu’il prévoyait de porter sa capacité de
production annuelle à 1 GW d’ici 2012. Cette entreprise est spécialisée dans la fabrication de
cellules photovoltaïques à silicium multicristallin (technologie qui représente 50% du marché).
Elle a présenté différents modèles de « toitures photovoltaïques », aux noms de Samurai,
Econoroots ou Heyban. Les deux premiers sont des modules rectangulaires de différentes
dimensions à poser sur la toiture. Le troisième présente des panneaux en forme de tuiles.
Tous ces modules ont leur surface texturée par gravure ionique réactive (gravure au plasma
où ce dernier réagit chimiquement avec l’élément gravé) ce qui permet de réduire la réflexion
de la lumière incidente et donc d’augmenter son absorption par la cellule.
La marque a également exposé le prototype d’un module constitué de cellules à
silicium multicristallin à contact arrière (i.e. les électrodes sont situées à l’arrière de la cellule,
et non sur la face exposée au soleil, ce qui évite un effet d’ombrage sur la partie qui absorbe
la lumière). Chacune de ces cellules mesure 156 mm de côté et affiche un rendement de
conversion en laboratoire de 18,5%. Le module, lui, a une puissance de 220 W.
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5. PV Expo 2010
Sharp a également exposé des modules en silicium
multicristallin. De forme rectangulaire ou triangulaire (figure 1),
ils sont conçus pour recouvrir l’intégralité de la toiture d’une
maison. Leur rendement de conversion varie entre 9% et 10%
pour les modules triangulaires et de 12% à 14% pour les
modules rectangulaires. A noter la présence d’un module au
rendement de 14,4%, le plus élevé au monde pour les modules
actuellement commercialisés.
Etait également présent sur le salon la nouvelle cellule Figure 1 : module triangulaire de
Sharp (rendement de 10,1%)
en silicium multicristallin de Mitsubishi Electric (figure 2) dont le
rendement de conversion est de 19,3%. De forme carrée, de 15
cm de côté et d’une épaisseur de 0,2 mm, elle est une version
améliorée d’une première cellule présentée en septembre 2009
dont le rendement s’élevait à 19,1%. Ce gain de 0,2 points a
été obtenu par le développement d’un procédé de
« nettoyage » de la galette de silicium avant le dépôt des
électrodes, technique qui permettrait de réduire de 4% la
résistance de contact des électrodes avec la galette. La figure 3
présente le schéma de principe de cette cellule avec la
structure en nid d’abeille de la face avant qui réduit la réflexion Figure 2 : cellule en silicium
multicristallin de Mitsubishi
et donc augmente la quantité de lumière absorbée. De plus, la Electric
face arrière est constituée d’une couche réflectrice qui renvoie
la lumière à l’intérieur de la cellule.
structure en nid d’abeilles
réduction de la réflexion
des rayons lumineux
électrodes galette de silicium
multicristallin réflexion des rayons infra-rouges
face arrière réfléchissante
Figure 3 : structure de la cellule en silicium multicristallin de Mitsubishi Electric
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6. PV Expo 2010
Le silicium amorphe est de plus en plus utilisé dans la fabrication des cellules
photovoltaïques. Ces dernières présentent des rendements inférieurs à ceux des cellules en
silicium cristallin, mais elles sont moins chères à produire (quantité plus faible de silicium,
procédé de fabrication moins consommateur d’énergie) et, parce que leur rendement se
dégrade moins par mauvais temps, selon leurs fabricants, elles génèrent plus d’électricité
dans une année qu’un module en silicium cristallin.
On peut noter deux constructeurs japonais qui ont développé des produits à base de
silicium amorphe : Mitsubishi Heavy Industries (MHI) et Fuji Electric Systems.
MHI a exposé un panneau en silicium amorphe appelé MA100. D’une forme
rectangulaire, d’une longueur de 1 414 mm et d’une largeur de 1 114 mm pour une
épaisseur de 35 mm, sa puissance nominale est de 100 W. Il est plutôt destiné aux
entreprises et aux bâtiments commerciaux dont les panneaux seraient connectés au réseau
de distribution d’électricité.
MHI a également présenté une cellule tandem constituée d’une couche de silicium
polycristallin et d’une couche de silicium amorphe. Cette technologie permet d’augmenter le
spectre de la lumière absorbée (chaque couche absorbant une partie différente du spectre)
et donc d’obtenir des rendements de conversion plus élevés. Les deux modules présentés
(MT120 et MT130) ont les mêmes dimensions que le MA100. Leur puissance nominale est
néanmoins supérieure (120 W et 130 W).
Fuji Electric Systems a développé une cellule tandem à
base de silicium amorphe, composée de quatre couches (figure 5) :
- une première constituée d’un substrat en plastique
enserré entre deux sous-couches métalliques,
- une seconde en alliage de silicium-germanium
amorphe,
- une troisième en silicium amorphe,
- une quatrième en ITO (oxyde d’indium et d’étain).
Figure 4 : module Proof
Solar de Sojitz utilisant le
fwave de Fuji Electric
Le résultat, appelé fwave, est une cellule souple et légère (moins de 1 kg/m²).
Plusieurs compagnies l’ont adopté pour concevoir leurs propres produits (figure 4 par
Ambassade de France au Japon, mars 2010 6/26

7. PV Expo 2010
exemple), si bien qu’il était visible chez plusieurs exposants du salon, sous différentes
formes.
une sous-cellule
ITO ITO
p p
couche supérieure Si amorphe Si amorphe
n n 1 m
p p
couche inférieure SiGe amorphe SiGe amorphe
n n
métal métal
film plastique film plastique 50 m
métal métal métal
Figure 5 : structure du fwave de Fuji Electric Systems
Pour finir, deux compagnies, Clean
Venture 21 et Solar Silicon Technology (SST),
ont développé un nouveau type de cellule en
silicium cristallin de forme sphérique. Chaque
réflecteur et
cellule (figure 6) est composée de billes de électrode négative
silicium d’un millimètre de diamètre qui
silicium n jonction
reposent chacune au fond d’un réflecteur de 2,2
mm à 2,7 mm de diamètre. L’ensemble
constitue une cellule souple à la texture d’un
nid d’abeille, incassable selon les fabricants. Le
silicium p
réflecteur constitue l’électrode négative, la base
de la sphère l’électrode positive. Cette
technologie permet d’augmenter la surface du
silicium exposée au soleil, tout en réduisant la électrode positive
quantité de matériau employée. Figure 6 : structure de base d’une
cellule en silicium sphérique
Ambassade de France au Japon, mars 2010 7/26

8. PV Expo 2010
Les sphères de silicium sont gaz inerte
fabriquées par un procédé de goutte à
goutte (figure 7). Le silicium est fondu
dans un creusé en forme d’entonnoir. En
chauffage
augmentant la pression par injection d’un
Si fondu
gaz inerte, le silicium est poussé vers le four
creuset
fond du creuset d’où il s’échappe par
gouttes qui sont recueillies après une
chute de 12 m. Cette méthode permet
d’obtenir des sphères de silicium
Si sphérique
polycristallin. Les compagnies peuvent tour de
chute libre
aussi fabriquer des sphères de silicium
monocristallin poli mais elles ne précisent
pas leur méthode de fabrication.
Figure 7 : fabrication du silicium sphérique
Elles ont ainsi conçu deux types de cellules qui diffèrent par la nature du silicium.
Leurs caractéristiques sont données dans le tableau ci-dessous. Les modules assemblés à
partir de ces cellules (figure 8) ont un rendement compris entre 7,8% et 8,5%.
Silicium monocristallin Silicium polycristallin
Densité de courant de court-circuit (Jsc) 39,7 mA/cm² 33,5 mA/cm²
Tension de circuit ouvert (Voc) 0,534 V 0,512 V
Facteur de Forme FF 73,7% 67,6%
Rendement 15,5% 11,6%
Tableau 1 : caractéristiques des cellules en silicium sphérique
Figure 8 : cellules à silicium sphérique présenté par la société SST
Ambassade de France au Japon, mars 2010 8/26

9. PV Expo 2010
Les cellules à base de composés inorganiques autres que le silicium
Le silicium est certes le deuxième élément le plus courant sur Terre, facile à se
procurer, mais il nécessite d’être purifié pour être utilisé dans une cellule photovoltaïque. La
fabrication d’un lingot de silicium utilisable dans des cellules photovoltaïques est
consommatrice d’énergie et émettrice de CO2. Aussi de nombreux acteurs du secteur
cherchent à s’affranchir de cet élément en développant de nouvelles technologies. Parmi les
solutions proposées, on retiendra celles de deux sociétés : Sharp et Solar Frontier.
Une des grandes vedettes du salon était
incontestablement la nouvelle cellule de Sharp (figure 9), au
rendement de conversion record de 35,8%. Il s'agit d'une
cellule triple jonction, c'est-à-dire qu'elle comporte trois
couches qui absorbent chacune des longueurs d'onde de
lumière différentes. Les cellules triples jonction sur lesquelles
travaillait la société jusqu'à présent étaient composées de
phosphure de gallium indium (InGaP) pour la couche Figure 9 : cellule triple jonction de
Sharp (rendement de 35,8%)
supérieure, d'arséniure de gallium-indium (InGaAs) pour la
couche médiane, et de germanium (Ge) pour la couche inférieure. Les couches en
germanium sont faciles à fabriquer, mais la moitié du courant électrique qui apparait dans
cette couche ne pouvant pas être utilisée, les chercheurs de Sharp ont décidé de remplacer
ce matériau par de l'arséniure de gallium indium. La nouvelle cellule est ainsi constituée
d’InGaP pour la couche supérieure, d'arséniure de gallium (GaAs) pour la couche médiane,
et d’InGaAs pour la couche inférieure. Le taux de rendement de conversion a ainsi été
amélioré de 31,5% à 35,8%. En utilisant un concentrateur sous 1000 soleils, le rendement
de conversion atteint les 45%. Les autres caractéristiques de la cellule sont données par le
tableau ci-dessous.
Rendement Voc Jsc FF Superficie
2
35,8% 3,012 V 12,27 mA/cm² 85,3% 1 cm
Tableau 2 : caractéristiques de la cellule triple-jonction de Sharp
Ambassade de France au Japon, mars 2010 9/26

10. PV Expo 2010
Pour rappel, l’Université Tokai avait remporté le
dixième World Solar Challenge (Australie) avec une
voiture équipée de cellules triples jonction de Sharp.
Ce véhicule1 était exposé sur le salon (figure 10).
La compagnie Solar Frontier s’est spécialisée
dans les cellules à couche mince de type CIS (Cuivre
Indium Sélénium). Son pavillon était ainsi
Figure 10 : voiture solaire
exclusivement consacré aux avantages du CIS par de l’Université Tokai
rapport au silicium. Les principaux arguments défendus par l’entreprise sont :
- un temps de retour sur énergie investie de 0,9 ans contre 2 à 3 ans pour les
cellules en silicium polycristallin.
- une meilleure stabilité dans la production d’électricité : un module CIS est
constitué d’une seule cellule tandis que les modules en silicium cristallin sont
constitués de plusieurs cellules connectées en série. Si l’une d’entre elles est
défectueuse ou non exposée au soleil, toute la ligne devient hors-service.
- la technologie en fine couche permet d’utiliser moins de matière première que le
silicium cristallin.
Précisons qu’il est possible de fabriquer des cellules en couches minces de silicium,
également plus économiques en matières premières et plus stable en production d’électricité
en cas d’ombre partielle sur le module. Toutefois, leurs rendements restent inférieurs à ceux
des cellules CIS.
Solar Frontier prévoit de commercialiser en 2011 un module de 150 W pour un
rendement de 12,2%, et un autre module en 2012 d’une puissance de 160 W et d’un
rendement de 13%. Elle compte augmenter sa capacité de production de 60 MW/an
actuellement pour approcher les 1 500 MW/an en 2014.
1
Voir BE 520 : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/061/61229.htm
Ambassade de France au Japon, mars 2010 10/26

11. PV Expo 2010
Les cellules organiques et les cellules à colorant
Les cellules photovoltaïques organiques sont légères, flexibles, et peu chères à
fabriquer. Leurs faibles rendements (5% à 6%) et leur courte durée de vie retardent
néanmoins leur entrée sur le marché. Deux constructeurs japonais, DNP et Fujikura, font le
pari des cellules organiques et de celles à pigments photosensibles (ou à colorant).
Fujikura a développé en partenariat avec la Tokyo
University of Science et l’Organisation pour le Développement
des Energies Nouvelles et des Technologies Industrielles
(NEDO) un module constitué de cellules à pigments
photosensibles (figure 11) structurées en quatre couches (voir
figure 12) :
- une plaque de verre conductrice,
Figure 11 : cellule à pigments
- une couche de dioxyde de titane (TiO2) mésoporeux photosensibles de Fujikura
(20 cm x 20 cm)
dans laquelle est absorbé le colorant (N719),
- l’électrolyte liquide contenant le couple d'oxydants-réducteurs (I- / I3-),
- une électrode enrobée de platine.
plaque de verre conductrice
colorant N719 absorbé dans du TiO2
- -
électrolyte (I / I3 )
électrode enrobée de platine
Figure 12 : structure de la cellule à pigments photosensibles de Fujikura
Les caractéristiques d’une cellule carrée de 20 cm de côté sont données par le
tableau ci-dessous.
Rendement Voc Jsc FF Dimensions
7,6% 0,68 V 16,5 mA/cm² 65% 20 cm x 20 cm
Tableau 3 : caractéristiques d’une cellule à pigments photosensibles de Fujikura
Ambassade de France au Japon, mars 2010 11/26

12. PV Expo 2010
Il est à noter que la Tokyo University of Science dit avoir obtenu en laboratoire les
rendements de 10,7% pour une cellule de 5 cm de côté, et de 11,2% avec une cellule
tandem avec une architecture en série.
La société Dai Nippon Printing (DNP) a présenté des
cellules photovoltaïques organiques et des cellules à pigments
photosensibles (figure 13). Leur finesse et leurs différentes
couleurs permettent de les intégrer dans différents objets de la
vie quotidienne (rideaux, jouets, murs, etc…).
DNP travaille actuellement sur le développement de
cellules à colorant utilisant des matériaux peu chers (dioxyde Figure 13 : cellules
organiques de DNP
de titane et colorants). Leur structure est similaire à celle
représentée sur la figure 12, mais leur rendement de conversion est actuellement très
inférieur (2,8 %).
La compagnie a aussi présenté des cellules organiques d’une épaisseur comprise
entre 100 nm et 200 nm de structure classique représentée sur la figure 14. Elles sont
constituées de cinq couches imprimables, d’où un coût de fabrication peu élevé. Leur
rendement est, comme celui de toute cellule organique, relativement bas : 4,1%.
substrat conducteur transparent
couche de transport des trous
100 à 200 nm couche active
couche de transport des électrons
électrode métallique
Figure 14 : structure des cellules organiques de DNP
Bien que les rendements soient peu élevés, la technologie des cellules
organiques permet d’intégrer des éléments photovoltaïques dans des
applications inattendues, à l’image de cette affiche publicitaire conçue par
Toppan Forms (figure 15), qui intègre le matériau photovoltaïque PowerPlastic
de l’américain Konarka. La cellule ainsi réalisée permet d’alimenter un
afficheur à cristaux liquides. On peut imaginer une nouvelle génération de
posters à affichage dynamique autoalimentés. Figure 15 : affiche de
Toppan Forms équipée d’une
cellule photovoltaïque
organique (en bas à gauche)
Ambassade de France au Japon, mars 2010 12/26

13. PV Expo 2010
L’intégration des modules photovoltaïques aux bâtiments :
l’exemple de Mitsubishi et OM Solar
Nombreuses sont les sociétés à proposer des solutions d’installation de modules sur
les toits des bâtiments ou dans des fermes solaires. Les décrire toutes seraient fastidieux et
probablement répétitif. Ce rapport présente donc uniquement le concept Eco Sky Roof de
Mitsubishi Estate et OM Solar.
Ce système produit de l’électricité, grâce à des panneaux solaires, mais également
de la chaleur. La figure 16 montre les modules photovoltaïques qui sont disposés sur le toit
de manière à ce que l’air puisse circuler au-dessous. Le flux d’air récupère la chaleur
produite par les panneaux solaires et le collecteur de chaleur. Cet air chaud est ensuite
utilisé pour chauffer la maison en hiver, l’eau en été, les deux à l’intersaison. Selon les
compagnies, ce système permet une économie d’énergie atteignant les 65%. Le schéma ci-
dessous illustre les différents flux en fonction des saisons.
eau froide
eau chaude
air chaud
collecteur de chaleur
air tiède
air froid échangeur de chaleur
module photovoltaïque
été
Air chauffé air extérieur
intersaison
été
été, intersaison
réservoir d’eau intersaison
chauffée
par l’air chaud hiver hiver
hiver
intersaison intersaison
intersaison
été
réservoir d’eau
chauffée par la
pompe à chaleur
accumulateur de chaleur (option)
pompe à chaleur
Figure 16 : principe de l’Eco Sky Roof
Ambassade de France au Japon, mars 2010 13/26

14. PV Expo 2010
Le photovoltaïque devient mobile
Nombreuses sont les compagnies à avoir
présenté des solutions pour rendre mobile la
production d’électricité photovoltaïque. On notera
pour commencer le panneau conçu par Kyocera
pour la Toyota Prius 3 (figure 17). En silicium
multicristallin, d’une puissance de 56 W et d’un
rendement de conversion de 16,5%, il fournit
l’électricité nécessaire au fonctionnement de la
Figure 17 : toit solaire de la Toyota Prius 3
ventilation du véhicule. (Kyocera)
La société Clean Venture 21 a utilisé les
cellules en silicium sphériques présentés sur la
figure 6 pour concevoir un certain nombre de
chargeurs solaires pour téléphones et consoles de
jeux vidéo portables. Certains de ces modèles
sont déjà en vente, tels ce chargeur à quatre
cellules pliables ou encore ce « mini-paravent »
(figure 18). Tous deux sont vendus au prix de
Figure 18 : chargeurs solaires de Clean Venture
22 050 yens (176,4 euros). 21 pour téléphones et consoles de jeux
portables
La compagnie OS a développé à partir du
fwave de Fuji Electric Systems un système
photovoltaïque enroulable et donc portable (figure
19). Il comprend une unité contenant une batterie
et assurant la connexion avec les appareils
électriques. D’un poids de 5,88 kg, elle mesure 30
cm sur 20 cm pour une hauteur de 14,2 cm. Elle
peut délivrer une tension alternative de 100 V ou
une tension continue de 5 V ou 10 V. A cette
« unité source » sont branchées jusqu’à 5 « unités
solaires » de 50 W. Chacune d’elles pèse 7,74 kg,
mesure 55 cm sur 20 cm pour une hauteur de 14,2 Figure 19 : système solaire portable d’OS
cm et contient un rouleau photovoltaïque de 3,5 m de long. Le prix de vente de chaque
appareil n’est pas encore publié mais devrait être de l’ordre de 100 000 yens (800 euros)
Ambassade de France au Japon, mars 2010 14/26

15. PV Expo 2010
l’unité (source ou solaire). L’investissement minimum est donc de 200 000 yens (1 600
euros). Le dispositif peut fonctionner plus de 20 ans.
L’association Watt Kobe (25 entreprises travaillant dans
le domaine du développement des énergies naturelles) a
également présenté un modèle de rouleau photovoltaïque
portable développé à partir du fwave de Fuji Electric Systems.
Ce modèle e-pot (figure 20) n’est constitué que d’une seule
unité de 54 cm de largeur, 16 cm de profondeur et 30 cm de
hauteur. D’une puissance de 22 W, elle délivre une tension
alternative de 100 V ou une tension continue de 12 V. Son prix
de vente est aujourd’hui estimé à 200 000 yens (1 600 euros)
mais l’association veut essayer de le réduire avant de lancer sa
Figure 20 : système
commercialisation. photovoltaïque e-pot de
Watt Kobe
Pour finir, on notera les sacs et porte-documents conçus par Toppan Forms à partir
des cellules photovoltaïques organiques de Konarka (figure 21). Ils permettent de charger
les batteries de téléphones portables.
Figure 21 : sac et porte-document photovoltaïques de Toppan Forms
Ambassade de France au Japon, mars 2010 15/26

16. FC Expo 2010
FC Expo 2010
La sixième édition du Salon International de l’Hydrogène et des Piles à Combustible a
rassemblé 397 exposants en provenance de 18 pays. Loin de couvrir l’intégralité des sujets
abordés dans ce salon, ce rapport d’ambassade se concentre sur trois des domaines
d’application principaux des piles à combustible au Japon : les véhicules, la production
d’électricité dans l’habitat et la charge des batteries d’appareils portables.
L’hydrogène pour les véhicules
Au Japon, la recherche sur l’hydrogène et les véhicules utilisant des piles à
combustible s’inscrit essentiellement dans le cadre du projet pilote JHFC (Japan Hydrogen
Fuel Cell Demonstration Project).
Le projet a été initié en 2002 par le Ministère de l’Economie et de l’Industrie (METI).
Depuis 2009, il est co-piloté par l’Organisation pour le Développement des Energies
Nouvelles et des Technologies Industrielles (NEDO). Il associe des constructeurs
automobiles (Toyota, Nissan, Honda, Suzuki, Mazda, Hino, Daimler, Mercedes-Benz et
General Motors) à des compagnies pétrolières (Cosmo, ENEOS, Shell, Jomo, Sinanen,
Itochu Enex), gazières (Tokyo Gas, Iwatani, Japan Air Gases, Taiyo Nippon Sanso, Osaka
Gas, Toho Gas), sidérurgique (Nippon Steel Corporation), de l’eau (Kurita) et d’éléctricité
(Kansai Electric).
L’objectif du projet est de rassembler les différentes données relatives à la recherche
sur l’hydrogène et les véhicules utilisant cet élément comme carburant, et d’établir la feuille
de route qui conduira à une production de masse et une large diffusion de ce type de
véhicules dans la société.
Un certain nombre de véhicules développés pour ce projet ont été présentés à FC
Expo 2010. Ce rapport n’en décrit que deux qui utilisent différemment l’hydrogène comme
carburant : le Toyota FCHV-adv et la Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid.
Ambassade de France au Japon, mars 2010 16/26

17. FC Expo 2010
La Premacy Hydrogen RE (Rotary Engine) Hybrid
(figure 23) est un véhicule hybride essence-hydrogène. Elle est
équipée d’un moteur à combustion de conception particulière :
les pistons habituels sont remplacés par une pièce rotative en
forme de triangle arrondi, inspiré du moteur Wankel (figure 22).
Ce moteur brûle indifféremment de l’hydrogène ou de l’essence
ordinaire (le véhicule possède deux réservoirs) pour produire de
l’électricité. Il entraîne un générateur qui recharge la batterie Li-
Figure 22 : vue d’artiste du
ion, ou alimente directement un moteur électrique d’une moteur de la Mazda Premacy
puissance de 110 kW chargé de la mise en mouvement du Hydrogen RE Hybrid
véhicule. Le véhicule peut parcourir 200 km en mode de fonctionnement « tout hydrogène »
(réservoir de 150  pressurisé à 35 MPa), 550 km en mode « tout essence » (réservoir de 25
).
Figure 23 : la Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid
Le Toyota FCHV-adv (figure 24) est un véhicule à hydrogène plus classique : il est
équipé d’une pile à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell –
Pile à Combustible à Membrane d’Echange de Protons), d’un moteur électrique à aimant
permanent (90 kW), et d’une batterie nickel-hydrure métallique (NiMH). Le moteur est soit
alimenté par la pile seule (vitesse de croisière), soit par la batterie seule (vitesse lente) soit
par les deux en même temps (forte accélération). En cas de freinage, l’énergie cinétique est
convertie en électricité stockée dans la batterie. L’hydrogène est stocké sous forme de gaz à
une pression de 70 MPa. Le réservoir de 156  a permis au véhicule de parcourir 830 km
(selon les normes du cycle de tests japonais 10-15).
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18. FC Expo 2010
Figure 24 : toyota FCHV-adv
La société Tatsuno Mechatronics a présenté un modèle
de distributeur d’hydrogène pour station service (figure 25). Ce
serait le premier modèle au Japon destiné à un usage
commercial. Relié à un réservoir de stockage à 80 MPa, il
délivre de l’hydrogène pressurisé à 35 MPa et 70 MPa (les deux
pressions de stockage habituelles des véhicules du projet JHFC).
D’autres sociétés, telles que Japan Air Gases et Tokiko
ont également présenté leurs distributeurs.
Figure 25 : distributeur d’hydrogène
de la société Tatsuno Mechatronics
Pour finir avec les véhicules, Iwatani a
présenté un vélo équipé d’une pile à combustible
de 60 W (PEMFC – figure 26). Située sur le porte-
bagage, elle charge une batterie Li-ion qui alimente
un moteur qui assiste le cycliste dans son effort.
Une cartouche de 0,25  pesant 750 g et stockant 7
g d’hydrogène, permet de parcourir 45 km (soit 3
heures de fonctionnement). Le poids total du
bicycle est de 31 kg.
Figure 26 : vélo à hydrogène d’Iwatani
Ambassade de France au Japon, mars 2010 18/26

19. FC Expo 2010
L’hydrogène à la maison
De nombreuses compagnies ont développé des solutions pour produire de l’électricité
dans les habitations à partir de l’hydrogène. Deux technologies sont actuellement
employées : les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – Pile à Combustible à
Membrane d’Echange de Protons) et les SOFC (Solid Oxide Fuel Cell – Pile à Combustible à
Oxyde Solide). Quelque soit la technologie, le principe est le même. Les systèmes sont
composés de deux unités (voir figure 27) : l’une contient la pile à combustible qui produit de
l’électricité, l’autre récupère la chaleur émise lors du fonctionnement de la pile pour produire
de l’eau chaude.
brûleur de secours
gaz naturel air
réservoir
reformeur d’eau
hydrogène chaude
pile à distributeur
combustible d’air
chaleur
électricité
onduleur
récupérateur eau
de chaleur chaude
Figure 27 : principe des piles à combustible pour les habitations
En 2008, 12 compagnies japonaises
(Idemitsu, Iwatani, ENEOS Cell Tech, Osaka Gas,
Cosmo, Japan Energy, Showa Shell, ENEOS,
Tokyo Gas, Toshiba, Toho Gas et Panasonic) se
sont regroupées en une association, la Fuel Cell
Association (FCA), pour mettre en commun leurs
résultats de recherche. En 2009, pour la première
fois au monde, l’association lançait la
commercialisation de l’ENE-FARM (Energy Farm),
un système de cogénération équipé d’une pile à
combustible et décliné sous les différentes
marques de l’association (figure 28). Figure 28 : ENE FARM de Tokyo Gas
Ambassade de France au Japon, mars 2010 19/26

20. FC Expo 2010
L’ENE-FARM dispose d’une pile à combustible de type PEMFC alimentée par du gaz
naturel qui est reformé pour donner de l’hydrogène. Le système peut fournir 1 kW de
puissance électrique et 1,4 kW de chaleur.
L’unité contenant la pile à combustible mesure 78 cm sur 40 cm pour une hauteur de
86 cm ; l’autre unité 75 cm sur 48 cm pour une hauteur de 188,3 cm. Le prix de l’équipement
(Tokyo Gas), de 3 465 000 yens (27 720 euros), est assez cher mais les Japonais peuvent
néanmoins bénéficier d’une subvention de 1 400 000 yens (11 200 euros).
D’autres compagnies ont développé des appareils disposant de piles de type SOFC
(figure 29). Elles sont regroupées autour d’un projet, le SOFC Project, lancé en 2007 par la
New Energy Foundation grâce à des financements de la NEDO.
Alimentées également en gaz naturel, les SOFC ont un rendement supérieur à celui
des PEMFC (45% à 55% contre 35% à 45%). Elles ont cependant une température de
fonctionnement bien plus élevée (700° à 1000° contre 70° à 90°
C C C C). Elles ne sont pas
encore commercialisées. Toutefois, de nombreux constructeurs ont présenté leur modèle,
tous d’une puissance de 700 W.
Figure 29 : différents modèles de SOFC pour les habitations
L’hydrogène pour les appareils nomades
Plusieurs compagnies ont développé des piles à combustible pour recharger des
appareils nomades. Fin 2009, Toshiba fut le premier à en commercialiser une, de type
DMFC (Direct-Methanol Fuel Cell – Pile à Combustible à Méthanol Direct), sous le nom de
Dynario. Les DMFC sont des piles de type PEMFC mais qui utilisent du méthanol comme
carburant au lieu de l’hydrogène. Sur le salon, Fujikura a présenté son propre modèle. D’une
forme parallélépipédique, d’une longueur de 150 mm, d’une largeur de 90 mm et d’une
hauteur de 35 mm, le produit de Fujikura fournit une puissance de 4 W et permet de charger
une batterie de téléphone ou d’ordinateur portables.
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21. Battery Japan
Battery Japan
231 exposants provenant de 14 pays se
sont rassemblés lors de ce premier Salon
International de la Batterie Rechargeable qui a
laissé une grande place à la batterie lithium ion.
Que ce soit pour les satellites (figure 30), les
avions, l’automobile, l’industrie, ou les appareils
électriques portables, les applications de cette
dernière sont en effet multiples. Toutefois, ce fort
engouement des industriels pour cette technologie
n’occulte pas pour autant les autres solutions de
Figure 30 : batteries Li-ion de GS Yuasa
stockage existantes : le nickel-hydrure métallique pour satellites
(NiMH), le lithium polymère ou encore le vanadium.
Les batteries Li-ion
Une batterie lithium ion fonctionne par échange d’ions lithium entre deux électrodes.
Elle possède l’avantage d’avoir une forte densité énergétique et de n’avoir aucun effet
mémoire.
Parmi les technologies intéressantes
présentées sur le salon, on pourra citer la batterie
de PUES Corporation. Il s’agit d’une unité de 215
mm sur 174,5 mm pour une épaisseur de 15,5 mm.
D’un poids de 720 g, elle affiche une densité
énergétique de 100 Wh/kg et une puissance de
Figure 31 : unité constituée de 95 cellules
sortie de 1 000 W/kg. Elle a une capacité de 72 Wh PUES connectées en série
(20 Ah – 3,6 V). Il est possible de connecter en série (sans câble) jusqu’à 192 unités pour
obtenir une batterie de 13,5 kWh (690 V).
On notera également la batterie de la taille d’une pièce de monnaie, la CLB2032
(CLB pour Coin type Lithium rechargeable Battery) présentée par Maxell. D’un diamètre de
20 mm et d’une épaisseur de 3,2 mm, elle ne pèse que 3,2 g. Sa capacité est de 70 mAh
qu’elle conserve à 80% au bout de 500 cycles. Elle peut fonctionner à des températures
comprises entre -20° et 60°
C C.
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22. Battery Japan
La société Seiko Electric a présenté une batterie destinée aux habitations. D’une
capacité de 9,36 kWh, elle délivre du courant alternatif de 200 V ou 100 V à 50 Hz ou 60 Hz.
Elle peut servir pour stocker l’énergie produite par des panneaux photovoltaïques ou par des
piles à combustible. Elle fournit également du courant en cas de panne du réseau de
distribution à la suite d’un typhon ou d’autres catastrophes naturelles. A titre d’exemple, si la
batterie dispose de 5 kWh, elle peut alimenter en électricité un réfrigérateur et une télévision
de 200 W chacun, ainsi qu’un éclairage de 100 W pendant 10 heures.
Plusieurs constructeurs ont développé des batteries lithium-ion de grosses capacités,
facilement transportables. Elles peuvent alimenter les appareils électriques en extérieur, sur
un chantier ou lors d’un événement culturel par exemple. Ainsi, la compagnie d’électricité
Kyushu Electric Power a exposé trois modèles transportables : une batterie de 6 kWh (955
mm x 550 mm x 850 mm – 3 kW – 100 V alternatif), une de 1 kWh (454 mm x 240 mm x 454
mm – 600 W – 100 V alternatif) et une de 800 Wh (440 mm x 240 mm x 290 mm – 150 W –
12 V continu). Autre exemple, la société Eliiy Power a présenté ses batteries de 2 kWh et de
1 kWh montées sur chariot.
La société Eliiy Power a été créée à partir
des résultats obtenus dans le cadre du projet Eliica.
Ce dernier, dirigé par le professeur SHIMIZU de
l’Université Keio, porte sur le développement d’une
voiture électrique (figure 32) dont la vitesse
maximale atteind les 370 km/h. Eliiy Power assure
le développement des batteries Li-ion initialement
Figure 32 : le prototype Eliica
conçues pour cette voiture. Elle a conçu une cellule de base de
petite taille (43,5 mm x 107,5 mm x 103,5 mm) d’une densité
énergétique de 100 Wh/kg et d’une capacité de 125 Wh.
Plusieurs cellules peuvent être assemblées en modules de
différentes tailles. Le plus important présenté sur le stand de la
compagnie regroupe 80 cellules pour une capacité totale de 10
kWh (unité destinée au stockage de l’électricité produite par des
panneaux photovoltaïques). Par ailleurs, en associant un
panneau solaire à un module de 40 cellules, la compagnie a
développé une station de recharge pour les véhicules
Figure 33 : station de charge de
batteries de véhicule électriques (figure 33).
(Eliiy Power)
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23. Battery Japan
Notons enfin la batterie Li-ion à électrolyte solide d’Idemitsu Kosan (figure 34).
L’habituel électrolyte liquide organique des batteries Li-ion a été remplacé par du sulfate de
lithium, composé inorganique. Ce dernier présente une conductivité des ions lithium
comparable à celle des électrolytes organiques et une bonne stabilité thermique (jusqu’à
400°C). L’accumulateur ainsi constitué est plus sûr (non inflammabilité, pas de surpression
due à l’éventuelle vaporisation de l’électrolyte). Le modèle présenté au salon était équipé
des mêmes électrodes que sa version avec un électrolyte liquide. Néanmoins, le nouvel
électrolyte autorise l’emploi de soufre sur les électrodes : avec une cathode à base de soufre
et une électrode à base de lithium, les chercheurs estiment que la densité énergétique de la
batterie pourrait atteindre les 500 Wh/kg voire 700 Wh/kg. Les caractéristiques de la batterie
exposée au salon, de la taille d’une feuille A6 (105 mm x 148 mm), n’étaient pas précisées.
La compagnie prévoit une commercialisation en 2012.
Figure 34 : batterie Li-ion à électrolyte solide d’Idemitsu Kosan
Les batteries Li-polymère
Les batteries lithium polymère ont un fonctionnement similaire à celui des batteries
lithium ion mais, comme leur nom l’indique, elles se caractérisent par un électrolyte en
polymère. Le Mie Industry Enterprise Support Center (MIESC) a présenté un accumulateur
de ce type fabriqué entièrement par des procédés d'impression (figure 35). Intitulée U&G
Battery (Ubiquitous and Green Battery), elle est le fruit de la collaboration entre l'Université
de Mie, le Mie Prefecture Industrial Research Institute, le Suzuka National College of
Technology et des industriels (Kinseimatec, Kureha Elastomer, Shinkobe Electric Machinery,
Ambassade de France au Japon, mars 2010 23/26

24. Battery Japan
Toppan et Meisei Chemical Work). Fine, flexible et de grande surface, elle serait « sûre »
selon le MIESC.
La batterie est constituée de trois couches
assemblées par un procédé de roll-to-roll
(technique d'impression sur un substrat flexible) :
les deux électrodes et l'électrolyte. La cathode est
principalement composée de phosphate de
lithium-fer (LiFePO4) et de carbone, l'anode
d'oxyde de lithium-titane (Li4Ti5O12), de graphite et
de silicium. L'électrolyte est un polymère solide
Figure 35 : U&G Batteries
(et non à l'état de gel) à base d'oxyde de présentées par le MIESC
polyéthylène réticulé (appelé aussi polyéthylène glycol). Sa solidité a permis l'élimination des
séparateurs habituellement insérés entre les électrodes et l'électrolyte.
Le prototype a une épaisseur de 450 microns. Sa capacité initiale est de 45 mAh
(valeur qui, selon le MIESC, peut être améliorée en optimisant la composition des matériaux
qui constituent les électrodes). Sa tension de fonctionnement est de 1,8 V. La forte
conductivité ionique du polymère, y compris à basse température, rend possible une
utilisation entre 0° et 25° alors que d'ordinaire, une batterie lithium-polymère solide ne
C C,
peut pas fonctionner à température ambiante.
Une autre technologie couramment utilisée : le NiMH
Une batterie nickel-hydrure métallique (NiMH) est un accumulateur mettant en jeu
une réaction entre l'oxyhydroxyde de nickel et l’hydrure de nickel-lanthane. Elle est moins
performante qu’une batterie lithium-ion mais est beaucoup plus sure en cas de surchauffe.
Elle est également plus résistante aux charges et décharges rapides.
On retiendra comme exemple la Gigacell de
Kawasaki dont la photo et le schéma de principe
sont reportés sur les figures 36 et 37. La
compagnie a développé toute une gamme
d’accumulateurs aux caractéristiques adaptées à
diverses utilisations : voiture électrique, tramway
sans caténaire, réseau électrique des voies ferrées,
Figure 36 : Gigacell de Kawasaki
lissage de la production d’électricité d’origine (1234x126x237 mm / 1,8 kWh / 21 Wh/kg)
photovoltaïque ou éolienne.
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25. Battery Japan
Chaque batterie a une forme parallélépipédique et contient plusieurs cellules. Ces
dernières sont constituées d’une alternance de feuillets qui constituent les électrodes. Cette
structure permet un meilleur refroidissement par le ventilateur qui équipe les batteries, ce qui
autorise des charges et décharges rapides. L’assemblage est réalisé sans soudure, ce qui
facilite le recyclage de la batterie.
électrode positive
(oxyhydroxyde de nickel)
électrode négative
(hydrure de nickel-lanthane)
dispositif de dispersion
de la chaleur
séparateur
ventilateur une cellule
Figure 37 : structure de Gigacell
Les produits proposés ont une capacité de 1,8 kWh à 2,1 kWh et une densité
d’énergie de 17 Wh/kg à 31 Wh/kg et délivrent une tension de 12 V à 36 V.
La batterie à flux
La société Zena system a présenté un type de batterie peu utilisé jusqu’à présent : la
batterie à flux (représentée sur la figure 38). La liquid battery ZV, c’est son nom, utilise deux
couples d’oxydo-réduction du vanadium : (V5+ / V4+) et (V3+ / V2+). La réaction générale est :
V4+ + V3+  V5+ + V2+
Cette batterie a pour originalité de stocker l’énergie électrique directement dans
l’électrolyte. Plus précisément, chacune des électrodes est constituée d’un électrolyte
conservé dans un réservoir. Lors de la charge et de la décharge, des pompes mettent en
circulation ces électrolytes qui s’échangent des protons via une membrane.
La compagnie peut fabriquer des batteries de différentes tailles, dont la capacité est
comprise entre 0,5 kWh et 100 MWh. Le grand avantage de ces batteries est qu’elles ne
perdent pas la charge quand elles ne sont pas utilisées. Ces batteries sont destinées
principalement au stockage de l’énergie électrique produite par des systèmes
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26. Battery Japan
photovoltaïques, éoliens, hydrauliques, etc. Il est possible de transporter les réservoirs
d’électrolyte d’un lieu de production de l’électricité vers un lieu de consommation.
générateur charge décharge
charge
convertisseur de courant continu / alternatif
V5+ V2+
réservoir +
réservoir
5+ 4+ H 3+ 2+
V /V 4+ 3+ V /V
V V
pompe pompe
Figure 38 : principe d’une batterie à flux
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