Membranes et matériaux pour piles à combustible

Produits

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC)

Les piles à combustible à oxyde solide utilisent un électrolyte à oxyde solide pour conduire les ions oxygène négatifs de la cathode vers l’anode. Nos matériaux à oxyde solide comprennent divers types de zircone stabilisée à l’yttrium (YSZ), de manganite de lanthane-strontium (LSM), de cérium dopé au gadolinium (GDC) et d’autres matériaux céramiques spécialement conçus pour améliorer la durabilité et les performances des applications SOFC.

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM)

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), également appelées piles à combustible à membrane électrolytique polymère, fonctionnent à des températures relativement basses (~ 80 °C). Dans les piles à combustible PEM, une membrane polymère conduit les protons de l’anode vers la cathode tout en bloquant les électrons, utilisant l’électrolyse de l’eau pour produire de l’énergie.

Composants des piles à combustible

Les dispositifs à piles à combustible sont souvent composés de plusieurs piles connectées en série pour former une pile, ce qui augmente la quantité totale d’électricité produite. Chaque pile à combustible individuelle contient trois composants principaux : deux électrodes (anode et cathode) et un électrolyte conducteur. Dans le cas des piles à combustible PEM, chaque électrode est constituée d’un matériau poreux à grande surface spécifique imprégné d’un électrocatalyseur, généralement du platine ou un alliage de platine. L’électrolyte est une membrane polymère qui sert de conducteur ionique.

Pour les piles à combustible fonctionnant à l’H₂ pur, l’hydrogène gazeux est dissocié en protons et en électrons au niveau de l’anode. Les protons sont conduits à travers la membrane électrolytique, tandis que les électrons circulent autour de la membrane, générant ainsi un courant électrique. Les ions chargés (H⁺ et e⁻) se combinent avec l’oxygène au niveau de la cathode, produisant de l’eau et de la chaleur.

Catalyseurs pour piles à combustible

Le platine présente une forte activité pour l’oxydation de l’hydrogène et reste un matériau électrocatalyseur fréquemment utilisé. L’un des axes majeurs de la recherche sur les piles à combustible a été la réduction de la teneur en platine sans diminution concomitante des performances de la pile, ce qui se traduit par une amélioration globale du rapport coût-efficacité du dispositif. Cet objectif peut être atteint grâce à l’utilisation de catalyseurs de synthèse fabriqués à partir de nanoparticules de platine supportées sur du carbone conducteur (738581, 738549 et 738557). Ces matériaux présentent l’avantage d’une forte dispersion des nanoparticules, d’une surface électrocatalytique (ESA) élevée et d’une croissance minimale des particules à des températures élevées, même avec des charges en Pt plus importantes.

Les alliages contenant du Pt sont utiles pour les dispositifs fonctionnant avec des sources de combustible spécialisées, telles que le méthanol ou le reformat (H₂, CO_₂, CO et N₂). Les alliages Pt/Ru, par exemple, ont démontré des performances accrues par rapport aux électrocatalyseurs à base de Pt pur en ce qui concerne l’oxydation du méthanol et l’empoisonnement au monoxyde de carbone. _{Le Pt3}Co est un autre catalyseur intéressant (en particulier pour les cathodes des PEMFC) qui a démontré des performances améliorées pour la réaction de réduction de l’oxygène ainsi qu’une grande stabilité. Le Vulcan^® XC72 est un noir de carbone mésoporeux utilisé comme support de catalyseur. Sa surface spécifique élevée et son excellente conductivité électrique contribuent à améliorer les performances des PEMFC et à réguler la taille des nanoparticules de catalyseur lors de la catalyse.

Membranes pour piles à combustible

Plusieurs critères clés sont pris en compte lors du choix d’un électrolyte pour pile à combustible. Les propriétés recherchées comprennent une conductivité protonique élevée, une grande stabilité chimique et thermique, ainsi qu’une faible perméabilité aux gaz. Aquivion^® D79-25BS est une dispersion d’ionomère à base d’acide perfluorosulfonique (PFSA) utilisée dans la fabrication de membranes séparatrices PEM et comme composant dans des catalyseurs hétérogènes. L’Aquivion^® D79-25BS présente une très forte concentration en groupes fonctionnels assurant une conductivité élevée des protons (ou Na+, K+, Li+, etc.), un point de ramollissement élevé permettant un fonctionnement à haute température bien au-delà de 80 °C, ainsi qu’une forte capacité de rétention d’eau pour un meilleur fonctionnement des piles à combustible dans des conditions de faible humidité, notamment pour les membranes ou les encres catalytiques utilisant ce matériau de dispersion.