Le coût et la durabilité des systèmes de piles à combustible sont généralement considérés comme les deux plus grands obstacles à leur commercialisation. Le rendement peut influer sur les deux aspects, mais le coût est presque entièrement attribuable à la couche catalytique, et la durabilité continue de poser problème pour la plupart des éléments d’une pile à combustible moderne. Pour affronter ces défis, l’équipe chargée des piles simples de l’IIPC-CNRC se concentre sur quatre capacités essentielles.

Capacités essentielles :

• Diagnostic
• Durabilité
• Conception
• Piles à combustible liquide à utilisation directe

Diagnostic

En utilisant des éléments segmentés de pile à combustible, des conceptions originales et des technologies de capteur novatrices, l’équipe chargée des piles simples s’occupe d’améliorer la qualité des diagnostics et de faciliter la collecte des données de diagnostic. Nos piles captrices sont des outils qui permettent d’étudier à fond la dégradation et d’améliorer les conceptions et les éléments de piles à combustible.

Usinage de plaques bipolaires segmentées pour la pile captrice

Par notre notre collaboration avec l’Université McMaster, l’Université d’Ottawa et l’Université de la Colombie-Britannique, nous renforçons l’expérience d’un grand nombre de partenaires pour innover dans le domaine des diagnostics. Voici quelques-unes de nos dernières réalisations :

• Une pile capable de mesurer diverses propriétés locales moyennes, et de fournir des données permettant d’améliorer nos modèles de pile à combustible.
• Une méthode conçue pour l’imagerie de l’eau, basée sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM), avec la collaboration de l’Université du Nouveau-Brunswick.
• Génération et collecte efficaces et rapides de signaux complexes, et éléments d’analyse (matériels et logiciels) nécessaires aux mesures d’impédance c.a. à dimension temporelle.
• Méthodologie d’essais conçue pour mesurer les effets de la température et de l’humidité sur le débit d’eau à travers diverses compositions qui caractérisent les couches de diffusion de gaz (GDL).

Pile de modélisation de diagnostic comportant des micro-thermocouples encastrés dans la plaque d’anode

Durabilité

Avec le concours d’un partenaire de l’industrie, l’équipe chargée des piles simples a créé un équipement spécial pour isoler la dégradation des couches de diffusion de gaz (GDL). En outre, cette équipe a formulé des protocoles d’essais accélérés et indiqué de bons outils de caractérisation. Cette méthode originale utilise un type modifié de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (MEP), qui permet d’étudier les effets exercés sur la dégradation des couches de diffusion de gaz (CDG) par les conditions de fonctionnement des électrodes, par la conception du champ de flux et par les procédures d’assemblage.

Polyimide/Nafion/barrière MPL (couche microporeuse) utilisée pour les essais sur la dégradation

Avec le concours de partenaires étrangers, l’équipe a contribué à former des groupes de recherche solides – notamment les instituts du CNRC (IIPC et IMI), et le Centre aérospatial allemand (DLR) –, pour entreprendre des études de durabilité sur les piles à combustible à MEP.

En collaboration avec l’Université Tongji de Shanghai (Chine), l’équipe examine aussi les effets de la contamination sur les études de durabilité des membranes échangeuses de protons : une enquête qui relève des programmes de recherche communs BC-MOST ICSD et NRC-MOST. Ce projet vise à obtenir la parfaite connaissance des effets des polluants de cours d’eau sur le rendement et la durabilité des piles à combustible à MEP. En outre, le projet permettra de bien comprendre les mécanismes de dégradation et les taux de dégradation connexes qui correspondent à chacun des modes d’échec majeurs des piles à combustible à MEP.

Bloc de six piles préparé pour l’essai de contrainte accéléré

Conception

De concert avec un institut de recherche allemand, l’équipe chargée des piles simples est en train de faire une analyse du mode de durabilité et d’échec d’un système de piles à combustible à haute efficacité, à haut rendement et peu coûteux. Ce système est basé sur des innovations concernant les membranes, les couches catalytiques, les méthodes de fabrication des ensembles d’électrode à membrane (MEA) et les plaques bipolaires moulables à injection peu coûteuses. Le projet exploite les capacités des deux instituts pour évaluer les modes de durabilité et d’échec d’un bloc de piles conçu pour la production massive avec une sortie de système de 1 kW.

Piles à combustible liquide à utilisation directe

Les combustibles liquides contiennent plus d’énergie et sont généralement plus maniables que les piles à hydrogène gazeux. La plateforme du combustible à utilisation directe est un exemple de recherche à long terme que l’IIPC-CNRC soutient avec le concours de plusieurs universités et du Réseau du Programme d’innovation pour les produits agricoles (PIBA) pour le combustible renouvelable. Cette plateforme est surtout axée sur les piles à éthanol et méthanol à utilisation directe, et sur l’étude des cathodes à oxygène et à oxydoréduction.

Catalyseur pour piles à combustible à éthanol, à utilisation directe

En outre, pour un partenaire de l’industrie, l’IIPC-CNRC a créé de nouveaux types de catalyseurs binaires, ternaires et quaternaires sans platine pour la cathode à air des piles à combustible zinc-air (ZAFC). Le rendement de ces catalyseurs est supérieur à celui des cathodes à air, avec beaucoup moins de métal précieux. Une fois mises au point, les cathodes à air conviennent aux piles à combustible commerciales métal-air, aux piles alcalines et aux piles à combustible microbiennes.