Pile à combustible: une membrane hybride plus durable

Publié par Adrien le 02/06/2021 à 09:00
Source: CEA

(c)CEA/Irig/H. Mendil-Jakani
En s'appuyant en particulier sur des analyses morphologiques multi-échelles, des chercheurs du CEA-Irig ont élaboré une nouvelle génération de membranes hybrides échangeuses de protons pour pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...), aux performances et à la durabilité prometteuses.

Les piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) à membrane échangeuse de protons (PEMFC) pourraient un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) équiper une nouvelle génération d'automobiles ne rejetant que de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). Pour cela, il faudrait remplacer la membrane perfluorée et sulfonée actuelle (Nafion®) par un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) plus performant en termes de coût, d'impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient...) et de tenue mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) (au-delà de 80°C). Les alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié...) au Nafion®, comme le sPEEK (polyéther-éther-cétone sulfoné), possèdent d'excellentes propriétés mécaniques mais souffrent d'une plus courte durée de vie (La vie est le nom donné :) et de performances moindres. Malgré d'excellentes propriétés thermomécaniques, le sPEEK est en effet oxydé dans la pile en fonctionnement, ce qui réduit drastiquement sa durée de vie à quelques centaines d'heures (L'heure est une unité de mesure  :) (au lieu de dizaines de milliers d'heures pour le Nafion®).

Aussi les chercheurs de l'Irig ont-ils choisi le sPEEK pour évaluer rapidement leur stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) de stabilisation chimique des membranes. Ils ont développé une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) sol-gel à base de MPTS (3-mercaptopropyl)triméthoxysilane) au sein de membranes sPEEK afin qu'elle protège ses hôtes contre les espèces oxydantes générées au cours du fonctionnement de la pile.

Les scientifiques ont étudié la structure complexe de ces nouvelles membranes hybrides en corrélation avec leurs propriétés fonctionnelles et leur durabilité. Ils ont observé les nanostructures à des échelles du nm à la centaine de nm, en combinant microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) atomique 3D (AFM), microscopie électronique à balayage (La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en...) à faisceau d'ions focalisés (3D FIB-SEM), diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) de neutrons aux petits angles (SANS) et diffusion de rayons X aux grands angles (WAXS).

Les images AFM montrent que la phase sol-gel est distribuée en grands domaines sphériques dont le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) varie de 100 à 200 nm selon la teneur en sol-gel. Les nanoparticules de sol-gel se développent vraisemblablement dans des espaces peu denses (interbundles) de la membrane sPEEK hôte. Les résultats de SANS révèlent que la phase sol-gel a une organisation (Une organisation est) hiérarchique et que les "canaux ioniques" sont seulement comprimés par l'insertion de la phase sol-gel ce qui permet de préserver la conduction ionique du sPEEK.

Cette étude multi-échelle a permis de préciser la localisation de la phase sol-gel associée à une stabilisation chimique de la membrane.

Ces travaux se poursuivent par le développement d'une phase sol-gel stabilisante et régénérative, une voie très prometteuse pour accroître la durée de vie des membranes.

Les expériences de diffusion de neutrons ont été réalisées à l'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien...) (sur la ligne D22), à Grenoble.

Références:
Sol-gel route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...): An original strategy to chemically stabilize proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) exchange membranes for fuel cell, Journal of Power Sources
Unveiling the multiscale morphology of chemically stabilized proton exchange membranes for fuel cells by means of Fourier and real space studies, Nanoscale Advances
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