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Les matériaux développés dans le projet PEMFC95 passent à l’échelle

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Les matériaux développés dans le projet PEMFC95 passent à l’échelle

18 mars 2026
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Les matériaux développés dans le projet PEMFC95 passent désormais à l’échelle et sont testés en cellule unitaire de PEMFC à 95°C

Le projet PEMFC95 s’est fixé pour objectif de concevoir des cellules de PEMFC capables de fonctionner durablement dans des conditions de mobilité lourde (95°C, faible humidité relative).

Dans ce contexte, plusieurs matériaux (membrane renforcée, catalyseurs d’anode et de cathode, couches de diffusion) ont été conçus et certains surpassent l’état de l’art commercial en termes de performances intrinsèques. Ces derniers ont donc été mis à l’échelle pour des tests en cellule PEMFC grande surface. En particulier des catalyseurs de cathode, obtenus par modification de références commerciales (Pt/C) par adjonction de nickel et création d’une coquille protectrice de carbone (ralentissant la dissolution du Ni et du Pt ainsi que l’agglomération des nanoparticules) par un procédé de synthèse simple à mettre à l’échelle (traitement thermique d’un mélange sec des précurseurs, suivi de lavages acides) se sont montrés plus performants que les catalyseurs état-de-l’art Pt/C commercial. Par exemple, PtNi@C/Gr.C excède les performances du Pt/GC commercial (Gr.C signifiant un support carbone graphité) qui a servi à son élaboration d’un facteur presque 2 en cellule différentielle de PEMFC à 95°C et conditions sèches, tout en étant plus durable (Figure 1). La même stratégie est actuellement poursuivie en partant d’un Pt/HSAC (HSAC signifiant un support graphité de grande surface spécifique mésoporeux), intrinsèquement plus actif  mais moins stable que Pt/Gr.C ; à l’échelle du laboratoire, le catalyseur PtNi@C/HSAC présente une activité accrue d’un facteur 3,5 versus Pt/HSAC et une meilleure rétention d’activité. Le matériau est en cours de mise à l’échelle pour des tests en PEMFC (à suivre !).

synthèse de catalyseurs de type PtNi à coquille carbone
Figure 1 : Schéma de la synthèse de catalyseurs de type PtNi à coquille carbone (haut). Micrographies électroniques en transmission (cartographie XEDS et images en champ clair) correspondantes (milieu). Illustration de l’activation électrochimique (bas, gauche), et performances des catalyseurs préparés à 900°C avec un support en carbone graphitisé lorsqu’ils sont utilisés en cathode de PEMFC (bas, centre et droite). Le catalyseur du projet surpasse la référence commerciale de départ en activité et en durabilité sur les courbes de polarisation mesurées à 95°C en cellule différentielle de 1,8 cm².

Des couches de diffusion (GDL) à base nanotube de carbone (NTC) ont également été développées avec l’avantage de ne pas requérir d’adjonction de PTFE (composé de type PFAS) pour être hydrophobe. Ce développement permet ainsi d’améliorer l’impact environnemental du cœur de PEMFC. Intégrées en cellule différentielles de PEMFC, ces GDL à base papiers NTC sont au moins aussi performantes que les GDL commerciales contenant du PTFE (Figure 2).

Figure 2 : Courbe de polarisation d’une GDL à base papier de nanotubes de carbone (cf. micrographie optique à droite) en comparaison de l’état de l’art commercial

Ces réalisations doivent maintenant être complétées par des tests de plus longue durée en cellule de grande surface, et ces matériaux ont été mis à l’échelle pour que ces tests soient réalisés d’ici la fin du projet. De tels essais ont déjà démarré avec des composants commerciaux (Figure 3), y compris dans des cellules instrumentées permettant de comprendre le fonctionnement des assemblages membranes électrodes dans les conditions expérimentales particulières qui sont visées (95°C, faible humidité relative).

Courbes de polarisation mesurées à 110°C des AME PEMFC95
Figure 3 : (Haut, gauche) Courbes de polarisation mesurées à 110°C en cellule différentielle de 1,8 cm² illustrant l’amélioration des AME PEMFC95 réalisés avec des composants commerciaux. (Haut, droite) Courbes de polarisation obtenues en cellule technique 100 cm² à 95°C pour les AME PEMFC95 optimisés avec des composants commerciaux en comparaison de la meilleure référence commerciale (95°C, H2/Air, 2,5/2,5 bars, 28/17%HR, st. 1,2/1,8). (Bas) Mesures locales sur des AME de 25 cm² opérés à 95°C à 20 ou 50% RH. Un fonctionnement très sec (20% RH) conduit à des différences locales marquées de fonctionnement (densité de courant, résistance haute fréquence), en raison d’une gestion de l’eau problématique, ce qui n’est pas le cas à 50% RH.

Marian Chatenet (LEPMI), Fabrice Micoud et Arnaud Morin (CEA-LITEN), Olivier Lottin (LEMTA)