Les nouvelles membranes électrolytiques polymères pour piles à combustible peuvent fonctionner jusqu'à 250 °C

Les piles à combustible à hydrogène, dispositifs capables de convertir l’énergie chimique stockée dans l’hydrogène en énergie électrique via une réaction électrochimique, sont des solutions prometteuses pour l’électrification des gros véhicules. Les piles à combustible basées sur des membranes échangeuses de protons à basse température (inférieures à 100 °C) se sont révélées particulièrement avantageuses pour le transport, car elles produisent un bruit limité, ont des densités de puissance élevées et peuvent alimenter des véhicules sur de longues distances avec une seule charge d'hydrogène.

Malgré leur promesse, ces piles à combustible à basse température ne fonctionnent bien qu’avec de l’hydrogène très pur, ainsi qu’avec des systèmes sophistiqués de gestion de la chaleur et de l’eau, ce qui pourrait limiter leur utilisation dans le monde réel. Augmenter la température de fonctionnement des piles à combustible entre 120 et 150 °C pourrait contribuer à réduire ces exigences, en les rendant plus tolérantes aux impuretés d'hydrogène tout en simplifiant leur refroidissement interne et leur gestion de l'eau.

Des chercheurs de l'Institut coréen des sciences et technologies ont récemment conçu une nouvelle membrane électrolytique polymère (PEM) pour les piles à combustible, capable de fonctionner à des températures supérieures à 200 °C et allant jusqu'à 250 °C. Leur PEM proposé, présenté dans un article publié dans Énergie naturellerepose sur un type unique de porteur de protons, qui peut être déployé sous forme de réseau auto-assemblé pour favoriser la conduction protonique.

“Faire fonctionner des piles à combustible PEM à haute température peut simplifier la gestion de l'eau et permettre l'intégration avec des unités de traitement de combustible de haute pureté”, ont écrit Seungju Lee, Jong Geun Seong et leurs collègues dans leur article. “Cependant, les piles à combustible PEM à base de polybenzimidazole (PBI) existantes sont confrontées à des défis en raison de l'instabilité du transport des protons au-dessus de 160 °C. Nous rapportons un PEM composé de para-PBI (p-PBI) et d'hydrogénophosphate de cérium (CeHP) qui peut être utilisé dans une pile à combustible jusqu'à 250 °C.

Les chercheurs ont montré qu’à des températures supérieures à 200 °C, la conduction protonique primaire de leur PEM changeait de manière à permettre aux piles à combustible de fonctionner à des températures de 250 °C. Lors des premiers tests, une pile à combustible basée sur cette membrane s'est avérée atteindre des performances électrochimiques remarquables, une tolérance accrue au CO et une durée de fonctionnement plus longue par rapport aux autres piles à combustible existantes fonctionnant à ces températures élevées.

“Pendant la fabrication, les particules CeHP en forme d'échinoïde forment un réseau auto-assemblé bien dispersé et interconnecté au sein de la matrice PBI (SAN – CeHP – PBI), leur permettant de surpasser les p-PBI et les PEM CeHP – PBI conventionnels en termes de transport de protons. au-dessus de 200 °C”, ont écrit Lee, Seong et leurs collègues.

“Nous rapportons une pile à combustible basée sur SAN-CeHP-PBI qui atteint une densité de puissance maximale de 2,35 W cm⁻² (à 250 °C en H sec₂/O₂) avec une dégradation négligeable sur 500 h lors des cycles thermiques (à 160–240 °C, H₂/air). SAN-CeHP-PBI démontre également une excellente tolérance au CO, ce qui est prometteur pour l'intégration avec des systèmes de transport d'hydrogène liquide.

Cette étude récente menée par Lee, Song et ses collègues pourrait bientôt ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement de piles à combustible plus performantes pour les applications liées aux transports. Même si le nouveau PEM de l'équipe a déjà obtenu des résultats prometteurs, sa commercialisation ne sera possible qu'après avoir surmonté une série de problèmes techniques. Plus particulièrement, les scientifiques et les ingénieurs devront d’abord identifier des catalyseurs et des liants stables capables de tolérer une exposition prolongée à des températures supérieures à 250 °C.

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