​Au sein du projet PEPR PEMF​C95, dédié à cet objectif de montée en température, la plupart des acteurs préparent des ruptures technologiques sur les matériaux. Alors que le CEA-Liten joue le rôle d'intégrateur des matériaux : « en parallèle et au préalable de l'intégration des nouveaux matériaux, nous poussons au maximum les performances de la pile PEMFC à 95°C avec les composants commerciaux existants, précise Arnaud Morin. Ce qui suppose une solide expertise de la pile à combustible et de son fonctionnement. » 

Des performances à l'état de l'art mondial dans une cellule de laboratoire

Chargée de l'optimisation des AME, l'équipe grenobloise se focalise sur les électrodes, dont on sait le rôle clé dans les performances électrochimiques. En trois ans de travaux, elle a obtenu des résultats probants : + 50% de performance en conditions représentatives des applications de transport lourd (camion, semi-remorque…)

« Nous sommes à l'état de l'art mondial établi par le projet américain Million Mile Fuel Cell Truck, annonce Christine Nayoze-Coynel, également impliquée dans ces recherches. Ceci avec des composants commerciaux, et non avec les matériaux académiques développés à petite échelle. »

Jouer sur la nature de l'ionomère, sa quantité et sa structure chimique

Les composants en question sont ceux utilisés dans les encres employées pour fabriquer les électrodes. D'abord, l'ionomère : le CEA-Liten a vérifié qu'en conditions représentatives d'un fonctionnement système à 95°C, la version à chaîne courte surpassait largement celle à chaînes longues, tant en termes de performances que de dégradation en fin de test.

Autre aspect étudié, la quantité d'ionomère dans la couche active : les essais ont montré l'intérêt de le réduire à l'anode et de l'augmenter à la cathode. Enfin, l'équipe a évalué différents solvants, et obtenu les meilleures performances en mélangeant deux d'entre eux en base aqueuse.

Des AME optimisés disponibles pour des tests industriels

« Ce n'est pas de la recherche avec modèles et équations, commente Arnaud Morin, mais une démarche guidée par le savoir-faire, les essais-erreurs et les comparaisons multicritères entre différentes combinaisons. Nous pouvons proposer aujourd'hui à des partenaires industriels des AME optimisés pour une utilisation à 95°C, à des fins de tests ».

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Comparaison entre les performances obtenues en monocellule technique 100 cm² avec l'AME développé par le CEA à partir de matériaux et composants commerciaux et la référence dans des conditions représentatives : 95°C_H2/Air_2,5/2,5 bars_28/17%HR.

Car les chercheurs n'en sont pas restés aux essais dans des cellules de quelques cm² : ils ont reproduit leurs « recettes » dans une cellule de 100 cm² dont le design est représentatif d'une pile réelle. Conclusion : leurs choix d'ionomère (nature et quantité) et de solvants garantissent des performances optimales, tant en conditions nominales (95°C, humidité relative inférieure à 28%) qu'aux régimes transitoires où ces valeurs sont largement dépassées.

​« Nous commençons à évaluer la durabilité de notre AME à 95°C sur des cycles de dégradation accélérée de plusieurs centaines d'heures, explique Christine Nayoze-Coynel. Tout en continuant à viser le gain de performance : il faut encore progresser de 30% pour répondre aux exigences des industriels. »