Une durabilité accrue et une densité de puissance élevée réduisent le coût total de possession
Le développement de la technologie des piles à hydrogène a constitué un grand pas en avant vers un avenir énergétique plus propre et décarboné. Pour que les piles à combustible restent une solution énergétique viable, leur densité de puissance élevée doit être associée à une durabilité à long terme afin de réduire leur coût total de possession.
Depuis plus de 15 ans, Donaldson collabore avec des entreprises internationales de premier plan pour commercialiser des membranes d'échange de protons renforcées de polytétrafluoroéthylène expansé (ePTFE) de haute technicité. Ces travaux ont permis de mettre au point des membranes fines, efficaces et durables, offrant une faible résistance pour une densité de courant optimale.
Nous avons une connaissance approfondie de la manière dont les propriétés de l'ePTFE - telles que l'épaisseur, le module, la résistance ultime et l'anisotropie - affectent la durabilité à long terme des empilements de piles à combustible. Cette expertise nous permet de proposer des produits ePTFE pour des membranes PEM composites renforcées par de l'ePTFE, une alternative améliorée aux membranes PEM non renforcées pour les piles à combustible.
Fonctionnement d'une pile à combustible
Figure 1 : Pile à combustible générique
Le schéma de la figure 1 montre une pile à combustible générique. L'hydrogène et l'air pénètrent séparément dans l'anode et la cathode et se diffusent dans la couche de catalyseur (électrode), où une réaction électrochimique se produit pour générer du courant. Une couche poreuse (couche de diffusion gazeuse) est généralement placée entre l'électrode et le canal d'écoulement pour répartir uniformément les réactifs.
L'équation ci-dessus montre les réactions électrochimiques de base pour la membrane échangeuse de protons (PEMFC). Pendant le fonctionnement de la pile à combustible, l'anode facilite la conversion du combustible (tel que l'hydrogène) en électrons et en protons. Le proton généré traverse la couche d'ionomère de la membrane, tandis que les électrons sont forcés de circuler dans un circuit externe. Enfin, les protons, les électrons et l'oxygène réagissent à la cathode pour former de l'eau.
Membrane revêtue de catalyseur (CCM)
Figure 2 : Schéma d'une CCM
Une membrane revêtue d'un catalyseur (CCM) est un composant essentiel de la PEMFC. Une CCM est composée d'une anode, d'une cathode et d'une membrane polymère électrolyte couche ionomère (par exemple, acide sulfonique perfluoré), qui sert d'électrolyte. L'anode et la cathode comprennent des couches de catalyseur appropriées et sont collées sous forme de couche au PEM. Les réactions électrochimiques qui ont lieu pendant le fonctionnement de la pile à combustible se déroulent dans le CCM.
Membrane à électrolyte polymère (PEM)
Figure 3 : Schéma d'une PEM
Les principales fonctions du PEM dans les piles à combustible sont de séparer les gaz de l'anode et de la cathode, de transporter les protons, d'isoler les électrons et de fournir un support mécanique aux couches de l'anode et de la cathode.
L'importance du renforcement du PEM
Pendant le fonctionnement de la pile à combustible, le PEM gonfle en absorbant de l'eau lorsque l'humidité relative est élevée et se rétracte en perdant de l'eau lorsque l'humidité relative est faible. Ce cycle répété de gonflement/rétrécissement entraîne une contrainte mécanique élevée dans le PEM et une défaillance mécanique ultérieure.
Figure 4 : Dorsale en ePTFE pour MEA
La durabilité et la longévité du PEM peuvent être considérablement améliorées par un renforcement en ePTFE. Pendant le cycle de gonflement/rétrécissement, la forte résistance mécanique et l'inertie chimique de l'ePTFE créent une "force de maintien" qui peut contrebalancer la force de gonflement/rétrécissement générée. Par conséquent, les membranes renforcées en ePTFE présentent une durabilité mécanique nettement supérieure à celle des membranes denses (non renforcées).
En fait, les objectifs de durabilité du ministère américain de l'environnement, à savoir 8 000 heures pour les véhicules légers et 30 000 heures pour les véhicules lourds, ne peuvent être atteints sans une membrane PEM renforcée par de l'ePTFE.
En outre, des membranes ePTFE plus fines et très efficaces peuvent fournir ce renforcement crucial tout en aidant à maintenir une densité de courant élevée, ce qui permet de réduire le nombre de cellules dans une pile, réduisant ainsi le poids total. Ils peuvent le faire sans compromettre la résistance, la performance ou la production d'énergie.
L'application doit déterminer la structure spécifique de l'ePTFE
La plupart des membranes d'échange de protons doivent être conçues avec précision pour chaque application spécifique. Par exemple, les exigences relatives aux piles à combustible stationnaires sont très différentes selon qu'il s'agit de véhicules légers ou de véhicules lourds. Par conséquent, l'accès à une large gamme de structures en ePTFE utilisées comme renfort pour les membranes PEM permet aux équipementiers de spécifier à la fois le renfort en ePTFE requis et la composition chimique afin d'optimiser les performances des piles à combustible.
Pour répondre à la grande variété des besoins des OEM, Donaldson a développé différentes générations de membranes pour diverses applications. Notre gamme de produits offre des solutions techniques pour chacune de ces applications uniques, comme indiqué ci-dessous.
La bonne membrane fait la différence
La vaste gamme de membranes ePTFE Tetratex™ exclusives de Donaldson a évolué au fil des décennies de recherche et développement, continuant à répondre aux exigences de performance strictes de l’industrie, tout en soutenant les appels des équipementiers pour une taille de pile réduite. Tetratex est fabriqué et distribué uniquement par Donaldson, qui met l'accent sur une fabrication et un service à la clientèle de haute qualité afin d'assurer un approvisionnement constant et une livraison dans les délais.
En offrant plusieurs options ePTFE pour répondre à une gamme de spécifications et d’applications, Donaldson fournit aux équipementiers et aux fournisseurs de niveau 1 ou 2 :
- des membranes minces qui répondent aux exigences pour une densité de courant élevée tout en maintenant la durabilité mécanique du bloc de la pile
- Réduction de la taille et du poids de la pile
- Durabilité mécanique exceptionnelle et haute résistance pour une longue durée de vie
- Performances constantes et fiables
- Flexibilité pour spécifier la membrane ePTFE indépendamment du revêtement, permettant aux équipementiers de choisir la solution optimale de membrane/revêtement, plutôt qu’une solution prédéterminée (non optimisée)
