Au cœur de la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) se trouve un ensemble d’électrode à membrane (MEA), qui comporte une membrane échangeuse de protons calée entre deux électrodes de diffusion de gaz (GDE).

éléments de l’ensemble d’électrode à membrane (MEA)

Le groupe de l’IIPC-CNRC chargé des piles à combustible à basse température (LTFC) s’occupe d’améliorer la proposition de valeur technique pour la technologie des PEMFC. L’équipe du MEA se concentre sur l’intégration de nouveaux matériaux et sur l’évaluation de leur rendement. La boucle d’itération de l’intégration, de la caractérisation, de l’évaluation et des réactions constitue l’opération essentielle des projets de développement.

Capacités essentielles

• Fabrication
• Caractérisation
• Recherche et développement (R et D)

Fabrication

L’IIPC-CNRC emploie un grand choix de méthodes de fabrication pour les MEA. Dans l’une d’elles, les éléments de la couche catalytique sont mélangés dans une solution pour former une encre catalytique. Cette encre est ensuite déposée sur une membrane ou sur une électrode perméable au gaz. En principe, les techniques de dépôt courantes, comme la sérigraphie et la pulvérisation automatisée sont employées pour la recherche, le développement et la démonstration de projets à grande échelle.

L’IIPC-CNRC a conçu des règles de fabrication pour les projets de recherche comme pour les projets de développement (R et D). Ces protocoles ont pour but d’intégrer aux MEA les nouveaux matériaux et les nouvelles conceptions architecturales, et sont optimisés en vue d’assurer une excellente reproductibilité et la meilleure qualité. Notre technique de fabrication à petite échelle, qui convient à la recherche et au développement (R et D), utilise un pulvérisateur à projection automatisée qui répond aux critères suivants :

1. Haute reproductibilité : >97 % entre les lots
2. Haute qualité et haut rendement des couches de catalyseur de cathode (CCL), déterminés par les membranes enduites d’un catalyseur (CCM), et assurant un rendement de début à la fine pointe de la technologie.
3. Haute efficacité de transfert : >95 % de matériaux transférés pour la fabrication de moyenne à grande échelle; >50 % de matériaux transférés pour des applications à petite échelle.

Choisir les outils de caractérisation

• Les techniques de microscopie électronique, à balayage et à transmission (MBE et MET) sont utilisées pour caractériser la microstructure des éléments des ensembles d’électrode à membrane (MEA) pour diverses résolutions. La cartographie numérique des groupes de catalyseurs et de leur morphologie peut servir à l’analyse quantitative de la microstructure.

• La porosimétrie au mercure est utilisée pour déterminer la dimension des pores et la répartition dimensionnelle de couches catalytiques d’autres milieux poreux. Les couches catalytiques des PEMFC présentent normalement une porosité de 30 à 60 %. On peut régler ce paramètre en modifiant la méthodologie de fabrication.
• Les mesures de conductivité protonique sont obtenues par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). Cette méthode utilise un appareil interne conçu pour mesurer les conductivités allant de 30 à 150 oC.
• Caractérisation des piles à combustible : l’IIPC-CNRC a conçu un protocole d’essais pour déterminer les facteurs de limitation de rendement du MEA [Energy and Environ. Sci. 2008, 1, 184-193]. Cette réponse est essentielle à l’élaboration des MEA et de leurs composants. Le protocole comprend une évaluation du rendement électrochimique avec des mesures sur place de l’équilibre hydrique par rapport au transport de l’eau. Ces données permettent aux chercheurs de modéliser la dynamique du transport de l’eau, et aux ingénieurs de créer des scénarios de gestion de l’eau.

On peut améliorer la proposition de valeur technique de la technologie des PEMFC en augmentant les rendements, abaissant les coûts et prolongeant la durabilité des piles. L’équipe du MEA vise deux buts principaux;

• Pour les MEA comportant des catalyseurs de pointe et basés sur de nouvelles conceptions de couches catalytiques, nous visons des technologies et des matériaux qui permettront de réduire les coûts en optimisant l’utilisation des catalyseurs d’après le rendement unitaire (g/KW).
• Pour les MEA comportant de nouvelles membranes ou de nouveaux ionomères, nous voulons améliorer la conductivité protonique aux températures élevées et réduire l’humidité relative, tout en prolongeant la durabilité et en abaissant les coûts. Les premiers MEA permettront d’appliquer la technologie des PEMFC dans un plus grand nombre de conditions d’exploitation. En rendant le système moins complexe, cette recherche contribuera à réduire le coût du système et à améliorer la fiabilité des piles à combustible.

Autres applications de la technologie des MEA : outre les piles à combustible, les principes essentiels de la fabrication et des caractérisations des ensembles d’électrode à membrane (MEA) sont appliqués à plusieurs domaines technologiques complexes, par exemple :

• les appareils électrochimiques (notamment les batteries, les condensateurs électrochimiques et les électrolyseurs). Notre connaissance des interactions complexes entre la microstructure et le transfert de matériaux à l’intérieur des éléments de MEA est directement applicable à ce domaine.
• les appareils mécaniques (notamment les humidificateurs, les purificateurs d’eau et les équipements de dessalement). Dans ce domaine, la préparation d’électrolytes à polymère solide (SPE) peu coûteux joue un rôle essentiel.