Une avancée majeure dans la technologie des piles à combustible (PEM)

Dans le cadre d’un projet commandé par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), des chercheurs de l’université de Nagoya, au Japon, ont mis au point des PEM à base d’acide poly(styrène sulfonique) présentant une forte densité de groupes d’acide sulfonique.

La membrane à électrolyte polymère (PEM) est l’un des principaux composants des piles à combustible à électrolyte polymère respectueuses de l’environnement. Elle génère de l’énergie électrique par une réaction entre l’hydrogène et l’oxygène. Parmi les exemples de piles à combustible pratiques, on peut citer les véhicules à pile à combustible (VPC) et les systèmes de production combinée de chaleur et d’électricité (PCCE) à pile à combustible.

La PEM la plus connue est une membrane basée sur un polymère d’acide perfluorosulfonique, tel que le Nafion, qui a été développé par DuPont dans les années 1960. Elle présente une bonne conductivité protonique de 0,1 S/cm à 70-90 °C dans des conditions humidifiées. Dans ces conditions, les protons peuvent être libérés des groupes d’acides sulfoniques. La conduction des protons dans ces membranes dépend généralement du mécanisme de transport des protons entre les groupes d’acides sulfoniques et les molécules d’eau.

En règle générale, plus la densité des groupes d’acide sulfonique est élevée dans la membrane, plus la densité des protons qui peuvent être libérés des groupes d’acide sulfonique est élevée ; par conséquent, la densité élevée des groupes d’acide sulfonique se traduit généralement par des conductivités de protons plus élevées.

Cependant, en utilisant un processus de synthèse conventionnel, il est difficile de synthétiser des PEM avec une densité élevée de groupes d’acide sulfonique. Par exemple, pour augmenter la densité des groupes d’acide sulfonique dans un PEM à base d’acide poly(styrénesulfonique), la réaction de sulfonation doit être effectuée pendant de longues heures ou dans des conditions sévères. Elle fait généralement appel à des substances très oxydantes, telles que l’acide sulfurique fumant et l’acide chlorosulfonique.

Malheureusement, cela entraîne des réactions secondaires indésirables, telles que le clivage des chaînes du squelette du polymère. Par conséquent, pour éviter les réactions secondaires indésirables lors de la synthèse du polymère, les PEM disponibles dans le commerce sont généralement synthétisés de manière à avoir une faible densité de groupes d’acide sulfonique. Pour les PEM à base de Nafion ou de poly(acide styrénique) disponibles dans le commerce, tels que Selemion d’AGC, la capacité d’échange d’ions (IEC), un indice de la densité des groupes acides, est généralement inférieure à 1,0 meq./g.

Dans cet article, Atsushi Noro et ses collègues de l’école supérieure d’ingénierie de l’université de Nagoya et des instituts d’innovation pour la société future de l’université de Nagoya ont mis au point des PEM à base d’acide poly(styrénesulfonique) avec une densité ultra-élevée de groupes d’acide sulfonique. L’IEC du PEM était de 5,0 mequiv./g. C’est cinq fois plus que l’IEC des PEM typiques disponibles dans le commerce, tels que le Nafion ou le Selemion. Sa conductivité protonique à 80 °C sous 90 % d’humidité relative (une condition de fonctionnement courante pour les piles à combustible à électrolyte polymère) était de 0,93 S/cm. Cette valeur est six fois supérieure à la conductivité du Nafion (0,15 S/cm) ou du Selemion (0,091 S/cm) dans les mêmes conditions de mesure.

Les futures piles à combustible devront fonctionner dans des conditions plus sévères, telles que des températures plus élevées et des humidités plus faibles. Cette étude contribuera à la synthèse et au développement de PEM de nouvelle génération plus performants présentant une bonne conductivité de 0,1 S/cm ou plus dans des conditions aussi sévères. Elle contribuera également à la réalisation de l’objectif d’une société à zéro émission de carbone.

Légende illustration : Des chercheurs mettent au point une nouvelle membrane électrolyte polymère d’acide sulfonique à très haute densité pour les piles à combustible, qui peut être utilisée pour les véhicules et les systèmes de production combinée de chaleur et d’électricité.

Crédit image / Atsushi Noro