Nouveau proton

Les piles à combustible sont des unités compactes de conversion d'énergie qui utilisent des sources d'énergie propres comme l'hydrogène et les convertissent en électricité par une série de réactions d'oxydo-réduction. Plus précisément, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), qui font partie intégrante des véhicules électriques, utilisent des membranes conductrices de protons pour leur fonctionnement. Malheureusement, ces membranes souffrent d'un compromis entre une durabilité élevée et une conductivité ionique élevée, affectant la durée de vie et les performances des PEMFC.

Pour surmonter ce problème, les scientifiques ont synthétisé des membranes polymères d'acide perfluorosulfonique chimiquement et physiquement modifiées, telles que Nafion HP, Nafion XL et Gore-Select, qui se sont révélées beaucoup plus durables que les membranes non modifiées classiquement utilisées dans les opérations des piles à combustible. Malheureusement, aucune des membranes conductrices de protons existantes n'a atteint l'objectif technique très ambitieux – réussir un test de durabilité accéléré ou un test chimique et mécanique combiné – fixé par le Département américain de l'énergie (DOE) pour faciliter leur utilisation dans les piles à combustible automobiles en 2025.

Dans ce contexte, un groupe de chercheurs japonais, dirigé par le professeur Kenji Miyatake de l’Université Waseda et de l’Université de Yamanashi, a récemment synthétisé de nouvelles membranes conductrices de protons pour les PEMFC. Leurs travaux, publiés dans la revue Science Advances, sont co-écrits par le Dr Liu Fanghua de l'Université Waseda et de l'Université de Yamanashi et le Dr Ick Soo Kim de l'Université de Shinshu.

Les chercheurs ont synthétisé des membranes conductrices de protons à l’aide d’un ionomère aromatique partiellement fluoré (matériau polymère constitué de résines thermoplastiques stabilisées par des réticulations ioniques) appelé SPP-TFP-4.0 (SPP : polyphénylène sulfoné, TFP : bis(trifluorométhyl) terphénylène). Ils ont ensuite utilisé la méthode de revêtement par poussée pour renforcer l'ionomère soit avec des nanofibres électrofilées, non tissées et isotropes de poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) à haute porosité (78 %), soit en utilisant du polytétrafluoroéthylène expansé poreux (ePTFE). Cela a abouti à des membranes composites, SPP – TFP-4.0 – PVDF et SPP – TFP-4.0 – ePTFE, d'épaisseurs 14 et 16 µm, respectivement.

Les chercheurs ont effectué une grande variété de tests sur ces membranes conductrices de protons et ont démontré que celle renforcée avec du PVDF était supérieure. "Elle a surpassé la membrane perfluorée Nafion XL de pointe, chimiquement stabilisée et physiquement renforcée, en termes de fonctionnement de la pile à combustible et de stabilité chimique in situ à une température élevée de 120 °C et une faible humidité relative de 30 %", souligne Miyatake. .

La membrane SPP-TFP-4.0-PVDF a démontré une longue durée de vie de 148 870 cycles ou 703 heures, soit plus de sept fois plus longue que celle de l'objectif du DOE, lors du test de durabilité accéléré avec des cycles humides-secs fréquents dans des conditions de tension en circuit ouvert. De plus, il présentait une stabilité chimique élevée avec peu de dégradation, une énergie de rupture stable à différents niveaux d'humidité, des propriétés mécaniques très stables de zéro à 60 % d'humidité relative à 80 °C et d'excellentes performances de pile à combustible à des températures élevées (100 à 120 °C).

En effet, la membrane conductrice de protons renforcée à base de polymère aromatique proposée répond à l'objectif du DOE américain concernant les futures piles à combustible automobiles, offrant ainsi une alternative lucrative. Ainsi, cette étude pourrait ouvrir la voie à des PEMFC dotés d’une opérabilité et d’une durabilité à haute température. "En conséquence, les véhicules électriques basés sur des piles à combustible pourraient devenir plus puissants et plus abordables. Cela contribuerait également à la réalisation d'une société basée sur l'hydrogène et sans carbone", conclut Miyatake, optimiste.

Nous espérons également que de tels véhicules électriques hautement efficaces, dotés de piles à combustible puissantes, durables et durables, deviendront bientôt une réalité !

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Référence

DOOI : https://doi.org/10.1126/sciadv.adg9057

Auteurs : Fanghua Liu1,2, Ick S. Kim3 et Kenji Miyatake1,4,5

Affiliations :

1Centre de recherche sur les énergies propres, Université de Yamanashi

2Organisation de recherche pour l'innovation dans le domaine des nano et de la vie