Le programme de R-D de l'Institut d'innovation en piles à combustible du CNRC (IIPC-CNRC) vise à faire progresser la science et les technologies des piles à combustibles, ainsi qu'à accélérer la commercialisation de ces technologies.

Nos programmes de recherche font appel aux cinq compétences essentielles énumérées ci-dessous, qui sont à la base de nos efforts de R-D. Près de 85 % des ressources de S-T de l'Institut sont consacrées au perfectionnement de ces compétences, tandis que la part de 15 % restante est mise à profit dans le cadre d'un portefeuille de projets de collaboration dont les groupes incluent des partenaires au Canada et à l'Étranger :

• Matériaux et processus de pointe
• Modélisation et simulation numérique
• Conception d'architectures innovatrices
• Prototypage et mise à l'essai des systèmes
• Capteurs et diagnostics

Ces compétences constituent une solide assise pour la réalisation de notre mandat et, grâce à elles, l'institut est reconnu au Canada comme à l'étranger. Chacune de ces compétences occasionne, entre les sciences, le génie et les applications, un effet de synergie au profit de nos principaux domaines de programmes de R-D et de nos projets de démonstration.

Matériaux et processus de pointe

Cette compétence combine certaines bases de la science des matériaux (nano-catalyseurs et supports en métaux nobles et non nobles, céramiques et polymères) des activités poussées de génie des processus (dépôt par pulvérisation réactive et pulvérisation pyrolitique ultrasonique) et des architectures innovatrices (piles à combustibles à support métallique). Les activités de génie des matériaux visent l'élaboration de matériaux à microstructure et à macrostructure munis des propriétés physiques (thermiques et mécaniques), chimiques et électrochimiques souhaitées, qui rendront possibles de nouvelles architectures pour permettre la fabrication abordable et aisée de membranes échangeuses de protons abordables et de systèmes de piles à combustibles à oxyde solide à haut rendement.

Modélisation et simulation numérique

Le groupe de modélisation et de simulation numérique de l'IIPC du CNRC est constitué de onze chercheurs du CNRC et de trois professeurs en détachement de la Simon Fraser University, de la University of Waterloo et de la University of Victoria. Ce groupe de chercheurs réputés a acquis une éminente expertise de niveau mondial en conception axée sur la modélisation, expertise qui rend possible l'optimisation des piles à combustible à membrane échangeuse de protons, l'optimisation de leurs composantes et celle de leurs principaux matériaux pour la constitution de connaissances essentielles et de technologies et pour le transfert de ces technologies vers les domaines industriels. Pour répondre aux nouveaux besoins en énergie propre et/ou renouvelable, ce groupe élargit actuellement son expertise fondamentale afin d'inclure les autres domaines d'énergie propre et/ou renouvelable.

Les possibilités de l'IIPC du CNRC en matière de modélisation et de simulation numérique vont des applications électroniques (de la nanoéchelle à la microéchelle) jusqu'à la modélisation des systèmes à macroéchelle.

• À la micro-échelle, notre expertise inclut l'examen exhaustif et poussé de matériaux par simulation informatique de premier principe, ainsi que la conception rationnelle informatisée de matériaux électrocatalyseurs poussés pour piles à combustible à membrane échangeuse de protons.
• À la nanoéchelle et aux échelles moyenne, nos activités incluent la mécanique des solides et des fluides, la modélisation physique des phénomènes électrochimiques tels que le transfert de masse et d'énergie, ainsi que la formation et les changements de microstructures.
• Au niveau des cellules et des assemblages de cellules, des techniques telles que la dynamique des fluides numérique (CFD) sont appliquées pour modéliser et analyser le flux continu de carburants et d'oxydants dans l'ensemble du system afin d'optimiser leur conception et d'améliorer leur rendement.
• Au niveau du dispositif entier, des techniques telles que celle de l'équilibre de masse et d'énergie sont appliquées pour optimiser la conception d'un dispositif entièrement opérationnel.
• À l'échelle d'un système entièrement intégré, nos compétences incluent la modélisation et le calcul des processus, qui permettent la réalisation d'analyses par simulation/anticipation sur des systèmes intégrés tels que les stations de ravitaillement en hydrogène et les systèmes de production d'électricité renouvelable à l'hydrogène.

Dans le cadre de notre programme de modélisation, il est possible d'établir des liens sûrs entre la structure, les propriétés et le rendement. À leur tour, ces liens permettent de prédire les architectures de matériaux et les conditions d'exploitation qui optimiseront l'utilisation des piles à combustible.

Pour en savoir plus, consultez notre fiche d'information Modélisation et simulation numérique (l'accès exige le lecteur Adobe Acrobat).

Conception d'architectures innovatrices

L'amélioration du rendement, la réduction des coûts, l'accroissement de la durabilité et de la fiabilité et l'amélioration des possibilités de fabrication nécessitent une évaluation critique constante des autres architectures possibles et des nouvelles approches. Cette compétence englobe l'ensemble du système de la pile à combustible et inclut les éléments suivants :

• Nanostructure des matériaux utilisés pour la cathode, l'anode et les électroniques;
• La conception de modules membrane-électrode, de couches de diffusion gazeuse, de joints et d'ensembles, y compris les champs d'écoulement.

Prototypage et mise à l'essai des systèmes

L'IIPC du CNRC se consacre en permanence à l'élaboration de prototypes de recherche allant de prototypes de cathodes, d'anodes ou d'électrolytes individuels à des prototypes de cellules et d'assemblages de cellules, voire même parfois l'élaboration d'équipement d'essais spécialisé muni de systèmes de capteurs qui ne sont normalement pas nécessaires pour les prototypes de production. La compétence en matière d'essais englobe des aspects allant de la mise à l'essai et de la caractérisation des matériaux aux essais de rendement sur des systèmes entièrement intégrés, en passant par des essais sur le rendement de membranes et de céramiques, de catalyseurs et de piles individuels. Cette compétence est appliquée pour appuyer les projets de recherche, ainsi que pour fournir des services aux intervenants industriels pour la réalisation d'essais indépendants susceptibles de mener à l'élaboration de codes et de normes.

Capteurs et diagnostics

Les capteurs et les diagnostics sont des éléments essentiels de la recherche sur piles à combustible et de la commercialisation de celles-ci. À l'IIPC du CNRC, les activités relatives aux capteurs et aux diagnostics consistent en l'élaboration de dispositifs et de systèmes capteurs pour la mesure des paramètres et du rendement de systèmes de piles à combustible. Leur élaboration nécessite des connaissances fondamentales en matériaux, en physique, en chimie, en techniques de mesure et en génie, de manière à intégrer aux systèmes de piles à combustible des systèmes capteurs embarqués. Des capteurs de concentration d'hydrogène et d'alcools (tels que le méthanol et l'éthanol) à plage étendue (de 1 % à 100 %) ont été élaborés pour des systèmes de piles à hydrogène et à carburant direct.