Comment la technologie membranaire stimule la commercialisation des piles à combustible dans l'industrie automobile

Par Simon Cleghorn, spécialiste mondial des produits, WL Gore & Associates

Sans aucun doute, l'hydrogène est essentiel à notre avenir énergétique propre, et en tant qu'application majeure en aval de l'hydrogène, la technologie des piles à combustible gagne en maturité de jour en jour. À tel point que chez WL Gore & Associates (Gore), l'hydrogène est le moteur de notre vision globale d'un système énergétique durable à faible émission de carbone. Et cela n'est nulle part plus évident que dans le secteur des transports, un acteur clé dans l'adoption de l'hydrogène comme source d'énergie.

La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) est essentielle à la réalisation de ce potentiel futur. Elle utilise une technologie de membrane qui, avec la bonne expertise, peut accélérer la commercialisation des FCEV en améliorant considérablement les performances et la fiabilité des piles à combustible et des systèmes.

Actuellement, il existe deux technologies qui peuvent réduire l'empreinte carbone des transports : les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) et les véhicules électriques à batterie (BEV).

Avec un temps de ravitaillement rapide de 3 à 5 minutes, une autonomie étendue de plus de 400 miles et une infrastructure d'hydrogène disponible en expansion rapide, les véhicules à pile à combustible gagnent en traction et ouvrent de nouvelles possibilités pour l'avenir de la mobilité.

En examinant plus en profondeur les différents types de technologies de piles à combustible, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) offrent de nombreuses possibilités prometteuses pour les applications automobiles. Jetons donc un coup d'œil à certains des nombreux avantages et aux raisons pour lesquelles le système de pile à combustible PEM est une excellente solution pour les véhicules.

Par rapport aux piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et aux piles à combustible à méthanol direct (DMFC), la pile à combustible PEM à hydrogène offre une densité de puissance élevée, un faible poids et volume, et une fenêtre de température de fonctionnement attrayante qui ne nécessite pas de préchauffage avant le fonctionnement (Figure 1) .

Cela permet aux constructeurs automobiles d'offrir un portefeuille plus large de produits alimentés par pile à combustible - des voitures particulières aux véhicules utilitaires en passant par les camions logistiques longue distance. Cette polyvalence supérieure a permis aux empilements et systèmes de piles à combustible PEM de représenter la part du marché des piles à combustible 64% (Figure 2).

Les avantages potentiels de la technologie des piles à combustible PEM obligent les constructeurs automobiles à investir. Cependant, la technologie doit être commercialement viable et compétitive pour réaliser des économies d'échelle. Ainsi, pour obtenir une large acceptation, les ingénieurs de la pile à combustible doivent s'associer à des experts en technologie des membranes et optimiser ensemble le PEM, la pile et le système pour répondre aux besoins de commercialisation des FCEV dans trois grandes catégories :

1. Des performances fiables – Comprendre la densité de puissance et les caractéristiques de durabilité du PEM et comment tirer parti de la technologie à membrane pour des performances optimales dans la pile et le système.
2. Soutien technique – Garantir des solutions adaptées à l'utilisation, une expertise technique et un service d'assistance pour atteindre les objectifs du programme de véhicules.
3. Sécurité d'approvisionnement – Maintenir une chaîne d'approvisionnement fiable de composants et de matériaux de carburant à l'hydrogène pour obtenir une production de qualité, cohérente et évolutive.

Des performances fiables

Le PEM dans une pile à combustible sépare l'hydrogène de l'air (oxygène), transporte les protons de l'anode à la cathode et empêche les électrons de se court-circuiter dans la cellule. Cela fait du PEM un composant essentiel de la conversion de l'hydrogène en énergie dans la pile à combustible. Pour fonctionner de manière fiable et fournir d'excellentes performances à des températures élevées et dans des conditions potentiellement sèches, les PEM d'une pile à combustible automobile doivent avoir une conductance protonique élevée (permettant une densité de puissance), être résistants à la dégradation chimique et aux défaillances mécaniques, et présenter une faible perméabilité aux gaz.

En utilisant des PEM plus fins, les ingénieurs peuvent réduire la résistance aux protons tout en augmentant le transport de l'eau et en améliorant les performances, en particulier à faible HR (humidité relative). Cependant, les PEM traditionnellement plus fins peuvent avoir un impact sur les propriétés mécaniques et donc compromettre la durée de vie de la pile à combustible.

De plus, des PEM plus minces peuvent entraîner une augmentation du croisement de gaz et une réduction du rendement énergétique, ainsi qu'une concentration accrue de radicaux nocifs qui accélèrent la dégradation chimique, entraînant une réduction de la durée de vie des produits.

Ces compromis peuvent être considérablement réduits en micro-renforçant le PEM avec du polytétrafluoroéthylène expansé – ou ePTFE. Développée à partir de décennies d'expérience en ingénierie des matériaux, la technologie PEM renforcée par composite de Gore est basée sur une combinaison d'ePTFE hautement technique, d'ionomères hautes performances et d'additifs de membrane exclusifs pour lutter contre la dégradation chimique. Le résultat est une conception de produit à faible résistance et durable pour des exigences d'application spécifiques (Figure 3). Les efforts continus de R&D dans les matériaux et les conceptions PEM, ainsi que les empilements et les systèmes de piles à combustible, doivent adopter une approche holistique pour comprendre leurs interactions et leurs compromis afin d'optimiser les performances et le coût de l'application finale.

Soutien technique

Des exigences nouvelles et différentes en matière de produits surgissent à mesure que nous passons de la recherche et du développement PEM à la production et à la commercialisation. Les fournisseurs de PEM doivent avoir l'expertise technique et les connaissances nécessaires pour répondre aux besoins personnalisés et adaptés à l'utilisation des constructeurs automobiles.

Il est important pour un fournisseur de composants de posséder une compréhension approfondie des compromis de performances potentiels de leur composant et des interactions potentielles avec d'autres composants de la pile à combustible et du système. Dans le cas du PEM, Gore a développé à la fois des méthodes de modélisation, in-situ (dans la pile à combustible) et ex-situ pour permettre la compréhension de ces interactions et accélérer la conception des produits.

Il est essentiel que les principaux fournisseurs de PEM soient en mesure d'effectuer une analyse électrochimique in situ (dans une pile à combustible) pour déterminer la cause des faibles performances et/ou de la perte de puissance au fil du temps qui pourraient résulter de changements de matériau. Les outils d'analyse post-mortem ex-situ doivent être facilement disponibles pour les fournisseurs automobiles afin de diagnostiquer les modes et mécanismes de défaillance des piles MEA/PEM renvoyées sur le terrain.

Pour compléter le tableau d'un support technique holistique, les fournisseurs de PEM doivent disposer de ressources d'analyse globales complètes pour prendre en charge les enquêtes scientifiques sur les surfaces, la caractérisation thermique, mécanique et physique, l'analyse chimique et la caractérisation microstructurale pour la résolution de problèmes complexes.

Sécurité d'approvisionnement

Alors que les constructeurs automobiles passent à la production de masse de piles à combustible, les fabricants de PEM doivent garantir des rendements de production élevés avec des produits hautes performances constants, tout en minimisant les coûts des produits et les risques de qualité. Les fournisseurs de PEM avec des matières premières cohérentes et une technologie de revêtement membranaire de précision peuvent garantir l'uniformité et la qualité en minimisant la variabilité intercellulaire (Figure 4). Cela permet aux fabricants de piles à combustible de contrôler avec précision la distribution des performances à la fois au sein de la cellule et de cellule à cellule dans la pile. Il en résulte une augmentation des rendements de production de la pile et des coûts réduits, ainsi qu'une durée de vie améliorée de la pile.

Une autre considération importante est l'approvisionnement en matières premières. Peu de fabricants de PEM ont établi des chaînes d'approvisionnement en matières premières éprouvées et fiables basées sur de vastes collaborations de R&D et des partenariats commerciaux sécurisés avec des sous-traitants.

Il est encore plus difficile de trouver des fournisseurs capables de produire des PEM haute performance dans les quantités nécessaires pour répondre à la demande de l'industrie. Comprenant que cela est essentiel au succès, Gore tire parti de son expertise en matière de renforcement du ePTFE et des ressources de son réseau mondial pour garantir la sécurité de l'approvisionnement, la stabilité des processus et la cohérence de la qualité à grande échelle.

Rendre la technologie des piles à combustible commercialement viable pour le transport de marchandises et au-delà

Aujourd'hui, la technologie des piles à combustible est efficacement développée, déployée et testée dans les FCEV pour les véhicules de tourisme. Excellente nouvelle, car ces avancées et ces apprentissages ouvrent la voie aux nombreux avantages de la technologie PEM dans d'autres secteurs de l'industrie du transport. Rendre la technologie des piles à combustible commercialement viable pour l'industrie du transport de marchandises également.

Les développeurs de systèmes de piles à combustible dans les applications commerciales se tournent désormais vers des modèles collaboratifs similaires pour faire évoluer leur technologie en fonction des avancées de la technologie PEM de Gore.

Et les avantages sont clairs : les camions fonctionnant à l'hydrogène propre peuvent utiliser des piles à combustible plus légères, ce qui leur confère une plus grande capacité de charge utile et une efficacité améliorée, ce qui se traduit par une réduction du coût total de possession, des indicateurs de performance critiques dans un secteur hautement concurrentiel.

En résumé, nous pensons que les ingénieurs des piles à combustible doivent s'associer à des experts en technologie des membranes pour répondre aux besoins de commercialisation des PEM, des piles et des systèmes pour les FCEV dans trois grandes catégories : des performances fiables, un support technique expert et une sécurité d'approvisionnement - permettant aux constructeurs automobiles de tous types être prêt pour un avenir alimenté à l'hydrogène.

Si vous souhaitez en savoir plus sur Gore et son GORE-SELECT^® Technologie membranaire, veuillez visiter https://www.gore.com/alt-energy.

WL Gore & Associés

WL Gore & Associates, membre de soutien du Hydrogen Council, est une société mondiale de science des matériaux qui transforme les industries et améliore la vie. Tout au long de son histoire, Gore a résolu des défis techniques complexes dans les environnements les plus difficiles - de l'espace extra-atmosphérique aux plus hauts sommets du monde en passant par le fonctionnement interne du corps humain. Il génère actuellement $4,5 milliards de revenus par an, avec plus de 12 000 employés.