PEMFC-95

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.

16 doctorants et 10 post-doctorants

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.

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.

De nombreux matériaux d’anode, cathode et de membrane/ionomère ont été élaborés et testés et leurs performances évaluées par rapport à l’état de l’art en conditions modèles. Cela a permis de sélectionner les matériaux les plus pertinents pour une mise à l’échelle et la réalisation de tests en PEMFC à T = 95°C. En parallèle, des AME ont été élaborés avec des composants commerciaux et des « recettes » propres au projet ; ils donnent de meilleures performances à T = 95°C que des AME commerciaux et se comparent très bien à ceux de projets concurrents (type US DOE).

Les travaux portant sur le développement de nouveaux matériaux d’anode, cathode, membrane/ionomère capables de fonctionner durablement en PEMFC à 95°C en conditions sèches ("moyenne température") se sont poursuivis, et de nombreux matériaux ont été élaborés et caractérisés. Ceux dont les propriétés intrinsèques ont été jugées satisfaisantes ont été mis à l'échelle une première fois pour validation en cellule différentielle (2 cm²), afin d'être testés en conditions représentatives du projet. Les résultats les plus prometteurs concernent les catalyseurs de cathode obtenus par modification de références commerciales (Pt/C) par adjonction de nickel et création d’une coquille protectrice de carbone, suivi d’un traitement thermique. Plusieurs supports carbone ont été évalués : carbone graphité et carbone de grande surface spécifique mésoporeux. Le catalyseur supporté sur carbone graphité pyrolysé à 900°C (PtNi@C/GC-HT900) a montré une stabilité remarquable à 95°C, mais ses performances intrinsèques initiales sont en-deçà des performances souhaitées (bien que meilleures que celles du catalyseur commercial sur carbone graphité d'un facteur proche de 2) ; le catalyseur sur carbone de grande surface spécifique mésoporeux pyrolysé à 700°C (PtNi@C/HSAC-HT700) conduit à des performances intrinsèques remarquables, les performances en PEMFC surpassant celles de la meilleure référence commerciale lorsque la température de fonctionnement de la pile est supérieure à 100°C (ce qui advient lors de transitoires de fonctionnement). Une couche de diffusion en papier de nanotubes de carbone, donc sans PTFE, a été optimisée et présente des performances comparables à celles de couches commerciales ; il est cependant (à ce stade) difficile de produire ces supports à l'échelle de la cellule technique. Dans ces conditions, il a été décidé que le catalyseur PtNi@C/HSAC-HT700 soit mis à l'échelle en quantité suffisante pour faire des tests en cellule technique (cellules de 100 cm²) et en mini stack de 0,5 kW. En complément de ces développements de matériaux, une méthode de caractérisation originale combinant microscopie et tomographie électronique a été développée pour mieux comprendre les mécanismes de dégradations des AME. Enfin les travaux sur l’analyse de cycle de vie des stacks PEMFC ont démarré ; ils montrent qu'une PEMFC moyenne température présente un intérêt si la durabilité des cœurs de pile excède celle des systèmes opérants à 70°C (température de référence actuelle).