Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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58 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie Figure 7. Classification des matériaux des plaques bipolaires. matériau déposé à base de carbone : • graphite• polymère conducteur• DLC... à base de métal : • métaux nobles• carbures• nitrures CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 À l’heure actuelle, les couches de diffusion commerciale se déclinent, la plupart du temps, à partir de composants développés pour d’autres applications industrielles. Elles ne sont donc pas optimisées spécifiquement pour les piles à combustible de type PEMFC. Des études récentes, réalisées au Liten, mon - trent que des améliorations restent possibles en modifiant la structure et la fonctionnalisation des couches. Pour les chercheurs, il s’agit de relever plusieurs défis. D’abord, parvenir à réaliser des structures poreuses (porosité, mouillabilité...) multicouches et multizones, adaptables aux hétérogénéités inhérentes à la présence des dents et des canaux (figure 1). Ensuite, pouvoir tenir compte des variations de fonctionnement entre l’entrée et la sortie de la cellule. Comme les procédés traditionnels ne le permettent pas, des procédés alternatifs sont en cours d’étude au Liten, notamment pour les dépôts microporeux. En ce qui concerne les supports de diffusion fibreux, ils visent à organiser la distribution spatiale des fibres de carbone ou à créer une structure conductrice contrôlée. Enfin, il convient de souligner le rôle essentiel de la couche de diffusion sur la répartition des contraintes dans la pile. Ses effets jouent, à la fois, sur les performances (résistances de contact, décohésions aux interfaces) et sur la durée de vie (contraintes différentielles sur les autres composants) – d’où la nécessaire prise en compte des propriétés mécaniques de la couche de diffusion. Lutter contre la corrosion des plaques bipolaires Le développement et la commercialisation des piles PEMFC passe par le remplacement du graphite des plaques bipolaires (figure 2) par des métaux, des alliages métalliques ou des matériaux composites. En effet, malgré les faibles températures de fonctionnement, le milieu liquide et acide de la cellule s’avère corrosif pour les plaques bipolaires traditionnelles. Diverses solutions sont donc à plaques en graphite non poreux substrat aluminium acier inoxydable titane nickel plaques bipolaires plaques métalliques revêtues base métal structure lamellaires : • graphite• polycarbonate• acier inoxydable plaques composites l’étude pour remédier à cet inconvénient (figure 7). Comme les matériaux graphite composites (figure 8) demeurent très chargés en graphite et nécessitent des conditions de mise en œuvre contraignantes (1) et peu économiques, la technique la plus souvent utilisée reste la thermocompression. Pour aller vers la fabrication en grande série de plaques bipolaires, le moule initial comporte les empreintes des canaux sur ses faces inférieure et supérieure : cela permet de minimiser, voire même de supprimer, une reprise en usinage ultérieure. Mais la reproduction de canaux, selon un design optimisé pour favoriser l’écoulement des fluides, pose des problèmes de conception et de transformation. Une voie alternative consiste à utiliser des plaques bipolaires métalliques. Malheu - reusement, l’utilisation de métal pose d’autres problèmes, au premier rang desquels figure le risque de corrosion. En effet, si la tenue à la corrosion s’avère insuffisante, il y a risque d’empoisonnement des autres composants de la pile à combustible par les cations métalliques issus de la plaque. A contrario, dans le cas où la couche d’oxyde protectrice se formant devient trop épaisse, elle provoque une augmentation des résistances de contact. Dans les deux cas évoqués, cela entraîne une perte des performances, incompatible avec les caractéris tiques requises pour une pile à combustible de type PEMFC. Le bon compromis entre la tenue à la corrosion et la conduction électrique reste donc à trouver. Les matériaux passivables non revêtus, comme les aciers inoxydables, pourraient apparaître comme une solution possible, mais ils présentent des résultats souvent contradictoires en termes de performance et de dura- (1) En effet, il faut préparer le matériau de base fait d’un mélange de graphite et de polymère ; maîtriser ce mélange, respecter les étapes de chauffage de ce matériau afin qu’il soit suffisamment visqueux pour pouvoir être formé, ne pas baver et être réticulé lors de la compression et du recuit qui s’ensuit. base carbone résine thermoplastiques : • polyfluorure de vinyle• polypropylène• polyéthylène thermodurcissables : • epoxy• phénoliques• furane• vinyl ester charge carbone/poudre de graphite noir de carbone coke fibres carbone...
bilité, empêchant toute conclusion définitive. Aussi, pour limiter ces effets liés à la corrosion des alliages métalliques, préfère-t-on ajouter des dépôts dont les propriétés physicochimiques garantissent à la fois : • une conductivité électrique satisfaisante et stable dans le milieu considéré ; • une stabilité chimique convenable (résistance à la corrosion) ; • une compatibilité avec le substrat (cœfficients de dilatation thermique et potentiels électrochimiques respectifs) et avec les autres matériaux de la pile (inertie chimique). Aujourd’hui, trois types de dépôts priment : les métaux précieux, les nitrures ainsi que les polymères conducteurs et les dépôts carbonés. L’enjeu actuel réside dans la découverte du ou des dépôts capables d’assurer ces propriétés physicochimiques à un moindre coût pour un traitement industriel, et le plus en amont possible dans le procédé de fabrication des plaques bipolaires. Ainsi, limite-t-on le nombre d’étapes de fabrication et donc le coût des plaques. De plus, en cas de défauts dans le revêtement, le coût du rebut d’une tôle sera toujours plus bas que celui d’une plaque bipolaire. Structurer et fonctionnaliser les composants pour innover Les cellules de PEMFC ne fonctionnent pas de manière homogène, notamment entre l’entrée et la sortie de la cellule ou le long des canaux de distribution de gaz. Les gaz réactifs étant consommés par la réaction, leur Banc test pour pile à combustible PEMFC. P.Stroppa/CEA concentration devient plus faible à la sortie de la cellule qu’à son entrée. À l’inverse, la production d’eau par la réaction induit une quantité d’eau (liquide ou vapeur) plus élevée à la sortie qu’à l’entrée de la cellule. Mais comme les matériaux et les composants actuellement utilisés, eux, sont homogènes dans leur plan, ils ne peuvent donc pas gérer ces disparités. L’optimisation des composants des piles à combustible de type PEMFC procède donc de multiples compromis entre les nombreux mécanismes physiques en jeu aux différentes échelles de la cellule. L’amélioration des performances, l’augmentation de la durabilité de ces piles et la diminution de leur coût passent forcément par une meilleure maîtrise des propriétés des composants et des matériaux à différentes échelles (nano et micro), que ce soit pour leur structuration ou pour leur fonctionnalisation. Le défi scientifique et technique s’avère donc important mais certaines études sur les matériaux et les procédés d’élaboration des composants sont en cours dans cet objectif au sein de diverses équipes du CEA. Il s’agit notamment du développement de catalyseurs bimétalliques pour la réduction de la quantité de platine ou la tolérance à certains polluants de l’air, de la structuration des couches actives et des couches de diffusion pour placer la juste quantité de matériaux à l’endroit nécessaire pour augmenter les performances, de la réduction des besoins en matériaux (notamment en platine), des dépôts opérés sur les plaques bipolaires pour en limiter la corrosion... L’ensemble des travaux se concentre sur les points clés actuels pour le développement industriel des PEMFC, à savoir l’augmentation des performances et de la durée de vie, et la réduction des coûts. > Joël Pauchet, Arnaud Morin, Sylvie Escribano, Nicolas Guillet et Laurent Antoni Institut Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) Direction de la recherche technologique CEA Centre de Grenoble > Gérard Gebel Institut nanosciences et cryogénie (Inac) Direction des sciences de la matière CEA Centre de Grenoble Figure 8. Plaques bipolaires en composite (à gauche) et en acier inoxydable (à droite). CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 59



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