Comment la technologie plasma micro-ondes résout le problème de dégradation de performance des piles à combustible ?
Les piles à combustible basées sur des membranes ionomères sont très importantes, par exemple pour les véhicules à faible / zéro émission. Le principal inconvénient des membranes ionomères comme le Nafion dans les piles à combustible à méthanol direct (DMFC) – Figure 8 – est que la conductivité ionique du Nafion augmente avec le niveau d’hydratation ; leur perméabilité relativement importante au méthanol entraîne une dégradation radicale du rendement de la pile à combustible. Le traitement de surface par plasma micro-ondes de ces membranes peut réduire la perméabilité au méthanol. De plus, la force de liaison de la membrane au catalyseur peut être améliorée par le traitement de surface par plasma.
Figure 1 : Schéma d’une pile à combustible à méthanol directe (DFMC) [8-9].
La technologie du plasma pour améliorer les problèmes de gestion de l'eau
La couche poreuse de diffusion de gaz (GDL) est un autre composant important d’une pile à combustible. Elle fournit un flux de gaz homogène au catalyseur et contrôle la teneur en eau de la pile. En particulier, la gestion de l’eau sur une large gamme de courbes de polarisation tension / courant est très importante pour l’efficacité de la pile. Cependant, les GDLs sont généralement constitués d’un matériau fortement hydrophobe, ce qui est essentiel pour une bonne gestion de l’eau. Une GDL partiellement hydrophile est pourtant un meilleur choix, car elle peut ainsi retenir une quantité optimisée d’eau, ce qui mène à un meilleur rendement de la pile à combustible.
Figure 2 : Surface à l’origine totalement hydrophobe d’une couche de diffusion de gaz (GDL), présentant des propriétés hydrophiles sur les zones exposées au plasma vs. gouttelettes d’eau adhérant à ces zones hydrophiles après le traitement par plasma micro-ondes à basse pression [9-10].
Les propriétés partiellement hydrophiles de la GDL peuvent être obtenues, par exemple, par un traitement de surface de la GDL par un plasma d’azote. Lorsque la GDL est recouverte d’une plaque perforée, seules les zones non couvertes de la surface de la GDL sont modifiées par le traitement plasma. Par conséquent, les zones non couvertes de la surface de la GDL présentent des propriétés hydrophiles après le traitement par plasma (gouttelettes d’eau adhérant à ces zones dans la Figure 2), tandis que les zones couvertes (non exposées au plasma) de la GDL conservent leurs propriétés hydrophiles initiales.
Des résultats prouvés : Des piles à combustible plus performantes
La pile à combustible avec la GDL traitée par plasma micro-ondes présente des tensions de cellule nettement plus élevées que la pile à combustible de référence sans GDL traité par plasma. Cela est dû au fait que la membrane d’une pile à combustible sans GDL traité par plasma s’assèche, en particulier à des densités de courant plus élevées. En utilisant une GDL traitée par plasma, une certaine quantité d’eau peut être retenue dans la pile, ce qui améliore les performances de la pile à combustible.
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Bibliographie:
[1] M. Walker, K.-M. Baumgärtner, M. Kaiser, J. Kerres, A. Ullrich, E. Räuchle, J. Appl. Polym. Sci., 1999, 74, 67-73.
[2] M. Walker: Fuel Cells. [online] Homepage: University of Stuttgart, Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology (IGVP)
URL: https://www.igvp.uni-stuttgart.de/en/research/plasma-technology/processes/fuel-cells/ [status: June 16, 2021].
