PEMFC95
Aperçu
Développement d’une cellule de PEMFC capable de fonctionner durablement à 95°C
Pr Marian CHATENET
UMR LEPMI (Grenoble INP – UGA – CNRS)
PEMFC95 vise à répondre aux besoins de la mobilité lourde (trains, camions, bus), qui requiert des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) capables de délivrer des puissances plus élevées qu’avec les systèmes actuels, tout en étant plus durables et moins chères.
Le projet PEMFC95 ambitionne de satisfaire ces objectifs en développant des PEMFC pouvant fonctionner à une température stabilisée de 95°C (contre 80°C dans les systèmes actuels). Cette élévation de température devrait aussi permettre d’alimenter les PEMFC en hydrogène moins pur avec un rendement équivalent.
Les performances seront démontrées d’abord à l’échelle d’une mono-cellule de 25 cm² puis d’un mini-stack fonctionnant dans des conditions opératoires du type « European automotive conditions ».
Le projet PEMFC95 ambitionne de satisfaire ces objectifs en développant des PEMFC pouvant fonctionner à une température stabilisée de 95°C (contre 80°C dans les systèmes actuels). Cette élévation de température devrait aussi permettre d’alimenter les PEMFC en hydrogène moins pur avec un rendement équivalent.
Les performances seront démontrées d’abord à l’échelle d’une mono-cellule de 25 cm² puis d’un mini-stack fonctionnant dans des conditions opératoires du type « European automotive conditions ».
Mots clés: Pile à combustible, électrocatalyseur, membrane, ionomère, PEMFC, Membrane échangeuse de protons
Actualités
PEMFC95 dans l’initiative internationale REACH2
Implication du projet PEMFC95 dans le réseau de réseaux REACH2 Le projet PEMFC95 s’implique, via ses laboratoires constitutifs …
Des PEMFC performantes pour l’application transport lourd
L’intégration des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dans les applications de transport lourd requiert …
Tâches
Nos recherches
Matériaux
Conception, élaboration et caractérisation de matériaux de cœur de PEMFC (électrocatalyseurs d’anode et de cathode, membrane et ionomère) plus robustes et capables de fonctionner durablement à une température de 95°C
Etudes au niveau cellules
Mise à l’échelle et intégration en assemblages membrane-électrodes (AME) puis monocellule de 25 à 100 cm² et mini-stack
Développement de moyens de caractérisation avancée et étude des mécanismes limitant leur performance et durabilité
Définition de la cellule optimisée
Analyse de cycle de vie pour tenir compte des préoccupations environnementales dans le choix des matériaux et procédés
Phase d’optimisation des matériaux et assemblages, et choix des paramètres de fonctionnement optimaux pour les PEMFC.
Réalisation de tests de vieillissement de cellules et mini-stack
Le consortium :
8 laboratoires académiques + 3 instituts du CEA
Des attendus scientifiques
Le projet vise une température de fonctionnement stabilisée des PEMFC de 95°C. A cette fin, il est prévu de développer des électrocatalyseurs d’anode actifs permettant une meilleure tolérance aux polluants, des membranes plus robustes mécaniquement et chimiquement, et des catalyseurs de cathode moins consommateurs de Pt, actifs et stables dans ces conditions.
Des démonstrateurs seront réalisés, sous la forme de mono-cellules de 25 à 100 cm² puis d’un mini-stack. Ils devront démonter leur stabilité sur une centaine d’heures à densité de courant élevée (2,5 - 1,5 et 0,5 A/cm²) sous une tension respectivement de 0,6 - 0,7 et 0,8 V, à une température de fonctionnement stabilisée de 95°C et dans des conditions opératoires du type « European automotive conditions ».
Impacts environnementaux
Permettre le déploiement commercial de la technologie hydrogène dans le transport routier, ferroviaire ou maritime.
Diminuer le besoin en matériaux critiques, comme les métaux rares du groupe du platine, pour la mobilité lourde.
Développement de compétences
16 doctorants et 10 post-doctorants
Réalisations 2022
Au cours de cette première année, les premiers matériaux d’anode, cathode et polymères pour renfort de membrane ont été élaborés et testés. Certains ont des propriétés intéressantes par rapport à l’état de l’art, notamment des catalyseurs d'oxydation de l'hydrogène à base de PtBi, et des catalyseurs de réduction de l'oxygène PtNi "éponge" ou PtNi à coquille de carbone. Des AME ont été formulés pour opérer à T = 95°C avec des composants commerciaux ; ils donnent de meilleures performances à T = 95°C que des AME commerciaux.
Réalisations 2023
En 2023, les travaux sur les catalyseurs de cathode ont confirmé le rôle protecteur d’une coquille en carbone graphitisé enrobant la nanoparticule de platine lors de tests de durabilité menés à 80°C (électrolyte liquide, pour l'instant). Côté anodique, Des catalyseurs bi/tri-métalliques de différentes compositions et structures ont été synthétisés et leur activité électrocatalytique d’HOR évaluée en présence/absence de CO. Ces essais sont complétés par des calculs de dynamique moléculaire et DFT en aide à leur interprétation. Les travaux sur les membranes ont porté sur la synthèse de membranes composites à base d’Aquivion, renforcées par un polymère PPO fonctionnalisé ou pas, ajouté sous forme de nanofibres ou en simple mélange volumique. Leurs propriétés sont évaluées en terme de résistance physicochimique, tenue mécanique et conductivité ionique.
