Des membranes nanostructurées dans les piles à combustible
C'est dans cet objectif que le projet ZEOCELL , financé par l'UE, a analysé les propriétés de plusieurs matériaux nanostructurés polyvalents pour des applications à température élevée. ZEOCELL a tenté d'incorporer une conductivité ionique de ou supérieure à 100 milli Siemens (mS)/cm dans des membranes FC avec une bonne stabilité chimique, mécanique et thermique. Parmi les autres propriétés recherchées, citons une durée de vie d'au moins 1000 heures de service à des températures comprises entre 130 et 200°C, une faible incursion du combustible et des coûts de fabrication inférieurs à 400 EUR/m2. Le projet ZEOCELL a, pour y parvenir, développé et étudié en profondeur sept compositions de membranes d'électrolyte utilisant au moins un des matériaux suivants: polybenzimidazole (PBI) poreux, liquides ioniques protiques (PIL) et zéolites/zéotypes microporeux. Le projet a étudié en profondeur leurs propriétés morphologiques, physicochimiques, mécaniques et électrochimiques. L'architecture des membranes polymères est essentielle pour le transport de protons. Des films en PBI aux pores aléatoires et droites ont donc été développés en tant que supports conducteurs de protons. Le projet a établi des protocoles fonctionnels adaptés aux matériaux microporeux à l'aide de techniques de greffage et de tournage. Il a également étudié les autres aspects pouvant affecter les performances par des techniques de dopage d'acide phosphorique, d'intégration de PIL et d'ajout de filtres inorganiques comme les zéolites microporeux et les nanocristaux de titanosilicate. Les films en liquide ionique de polymère sur des supports de PBI poreux présentaient, après 1000 heures de service, la meilleure conductivité (plus de 275 mS/cm). Le projet a développé des membranes hybrides à base de PBI poreux dopés à l'acide et de matériaux microporeux à bonne conductivité. Leurs propriétés d'incursion du combustible étaient également conformes. ZEOCELL a pu démontrer leur validation de principe et de meilleures performances que les ensembles d'électrodes à membrane du commerce. Des travaux d'optimisation des électrodes et d'amélioration des composants FC sont cependant encore nécessaires pour améliorer la durée de vie et réduire l'incursion du combustible au-delà de 120°C. Les évaluations des coûts et analyses commerciales sont prometteuses pour des applications dans des systèmes de chaleur et d'électricité micro-combinés ainsi que pour l'alimentation de secours des applications de télécommunication. La fabrication de masse des PEMFC à haute température sera compétitive sur le marché mondial dès que les problèmes de durée de vie seront résolus. Les matériaux de ZEOCELL pourraient également être utilisés en séparation de phases gazeuses et liquides, pour les piles lithium-ion, pour l'absorption et la catalyse, les micro FC et les dispositifs de laboratoire sur puce.
