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Pile à combustible : optimiser les matériaux et l’assemblage membrane électrodes pour gagner en performance

Pile à Combustible (PAC)

Publié le 25 octobre 2016

Le Liten développe depuis le début des années 2000 une expertise dans les matériaux pour piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dédiées aux applications de transport ou stationnaires. L’objectif est d’optimiser les matériaux utilisés, ainsi que l’assemblage membrane électrodes (AME), avec des design, des tailles et des façons de travailler appropriés pour les fabriquer à grande échelle et obtenir les performances cibles des marchés visés. Il s’agit aussi d’obtenir un coût total d’usage compétitif afin de proposer une alternative économiquement viable aux solutions existantes.
L’enjeu est en particulier d’obtenir des matériaux très résistants, avec une grande durée de vie, capables d’être utilisés pendant 6 000 h dans des applications de transport en condition réelle d’utilisation, et 40 000 h dans des applications stationnaires avec un taux de dégradation inférieur à 10 %. Il s’agit aussi de réduire le chargement en platine, un métal stratégique coûteux dont les réserves s’amenuisent dans le monde. Toutefois, le CEA Liten dispose d’une vue d’ensemble, de la recherche sur les matériaux jusqu’au stack, et ne se focalise pas uniquement sur la réduction du chargement en platine. L’intérêt ultime est de diminuer le prix total du système. À cette fin, le CEA Liten teste et compare des matériaux existants et élabore ses propres matériaux pour faire des AME destinés aux piles à combustible (PAC). Il s’appuie sur de nombreux équipements : les plateformes de nanocaractérisation (utilisation des microscopes électroniques à haute résolution pour réaliser des caractérisations à l’échelle atomique, cartographie chimique des espèces dans les AME), d’impression (jusqu’à 200 électrodes par heure), de stacking, de caractérisation électrochimique et de caractérisation des stacks. Il dispose en outre de l’accès aux Grands instruments du Synchrotron de Grenoble (ESRF) et de l’ILL pour réaliser de la caractérisation in operando et du management de l’eau dans les piles à combustible. Il fait appel à un vaste panel de compétences métiers : chimie, chimie des matériaux, techniques d’impression, procédés, électrochimie, caractérisation, modélisation...
Ses travaux portent sur plusieurs aspects :
  • ​Mise en forme des matériaux dans les électrodes de l’AME, c’est-à-dire du platine et du noir de carbone dans la couche active des électrodes ; travail des techniques d’impression pour les déposer sur le papier de carbone ou sur la membrane de façon à obtenir les meilleures performances par unité surfacique et par unité de masse platine. En augmentant les performances par unité surfacique, la quantité de surface nécessaire est réduite, ce qui engendre une réduction du coût des matières premières.
  • Utilisation de matériaux plus adaptés pour exacerber les performances et les améliorer : focus sur les matériaux permettant une meilleure diffusion des gaz, une meilleure gestion de l’eau, ou encore des matériaux plus faciles à mettre en forme ou à intégrer un process industriel. L’augmentation des performances et de la durée de vie engendre une réduction des coûts pour les utilisateurs finaux.  
Le CEA Liten travaille dans ce cadre pour des clients industriels issus du secteur automobile, de l’énergie, des transports (aviation, maritime) ou issus de la chimie des matériaux. Il présente l’avantage d’être le seul laboratoire français à maîtriser de bout en bout la chaîne de fabrication des piles à combustible, des nanomatériaux aux stacks, ce qui lui confère une position d’expert unique.

AVANTAGES
Une expertise des matériaux génératrice de gains économiques et de performance

  • Ces travaux visent à réduire le coût des piles à combustible et à optimiser leurs performances en fonction des marchés ciblés 
  • Pour les utilisateurs finaux : capacité à réaliser des prototypes, à optimiser le système, du matériau au démonstrateur, à sélectionner et designer des matériaux pour obtenir des performances et durées de vie ciblées en fonction des besoins des applications
  • Pour les spécialistes en matériaux : grâce à une compréhension globale de la technologie, le CEA Liten réalise des benchmark des matériaux des clients, des matériaux concurrents et propose les modifications nécessaires pour les rendre plus performants.

PROJETS

  • Le CEA Liten est partenaire du projet HyWay, lancé en octobre 2014 pour 18 mois et soutenu par la Dreal, la Région Rhône-Alpes et l’Ademe. Il s’agit d’expérimenter en région Rhône-Alpes l’utilisation d’hydrogène comme carburant dans des Kangoo ZE hybrides (batterie/hydrogène), des  utilitaires  électriques équipés du prolongateur d’autonomie pile à hydrogène de Symbio FCell basé sur une technologie du CEA, avec des stations de recharge à Lyon et Grenoble.  L’objectif est de déployer une flotte de 50 véhicules. 
  • Le CEA Liten est partie prenante de nombreux projets européens. Depuis 2008,  il s’implique dans la Joint Technology Initiative FCH JU  qui organise et gère la recherche européenne sur le thème de l‘hydrogène et des piles à combustible. 20 projets de R&D ont été menés dans ce cadre entre 2008 et 2013. Une nouvelle vague de projets a été lancée en 2014 :​

​- Projet NanoCat : synthèse et mise en forme de catalyseurs plus performants

-    Projet Impala : fabrication des GDL (couches de diffusions gazeuses) conduisant à une amélioration des performances de la pile dans le cas des applications automobiles.

-    Projet Impact : amélioration de la durabilité des PEMFC en optimisant l’AME faiblement chargé en platine
-    Projet Eureca : préparation d’AME pour des applications stationnaires
-    Projet Artemis : préparation d’AME à haute température (environ 160 °C) pour du couplage direct avec les réformeurs.
REPERES
  • 20 personnes sur l’aspect matériaux (synthèse, benchmark, mise en forme, caractérisation électrochimique et chimique), sur 60 personnes dédiées à la filière PAC pour des applications transport.
  • 100 brevets pour l’ensemble de la filière PAC
  • Publications : 
- Y. Thomas, A. Benayad, M. Schroder, a. Morin, J. Pauchet, « New Method for Super Hydrophobic Treatment of Gas Diffusion Layers for Proton Exchange Membrane Fuel Cells Using Electrochemical Reduction of Diazonium Salts », ACS Applied Materials & Interfaces . 06/2015; DOI: 10.1021/acsami.5b04428

- Philémon A. Henry, Laure Guétaz, Nathalie Pélissier, Pierre-André Jacques, Sylvie Escribano, « Structural and chemical analysis by transmission electron microscopy of Pt–Ru membrane precipitates in proton exchange membrane fuel cell aged under reformate », Journal of Power Sources, Volume 275, 1 February 2015, Pages 312-321


- M. Lopez-Haro, L. Guétaz, T. Printemps, A. Morin, S. Escribano, P.-H. Jouneau, P. Bayle-Guillemaud, F. Chandezon & G. Gebel, « Three-dimensional analysis of Nafion layers in fuel cell electrodes », (2014) Nature Communications 5, Article number:5229

R. Chattot, S. Escribano, « Ageing studies of a PEM Fuel Cell stack developed for reformate fuel operation in μCHP units : Development of an accelerated degradation procedure », International Journal of Hydrogen Energy. 02/2015; 40(15)
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