La longévité des piles à combustible sous le microscope des chercheurs

Les piles à combustible constituent une option technologique pour la propulsion des véhicules lourds à hydrogène. Leur durée de vie limitée freine actuellement leur adoption à grande échelle. Une équipe de chercheurs suédois a développé une nouvelle méthode d’analyse permettant de mieux comprendre les mécanismes de dégradation de ces dispositifs au fil du temps.

Une pile à combustible se compose de trois couches actives : deux électrodes (anode et cathode) séparées par une membrane conductrice d’ions. Chaque cellule individuelle génère une tension d’environ 1 volt. Les électrodes contiennent un catalyseur, et de l’hydrogène et de l’oxygène y sont introduits. Le processus électrochimique qui en résulte produit de l’eau pure et de l’électricité, utilisable pour propulser un véhicule.

Des scientifiques de l’Université de technologie Chalmers, en Suède, ont mis au point une technique innovante pour examiner le vieillissement des composants des piles à combustible. Cette méthode permet de suivre l’évolution d’une particule spécifique au sein de la pile durant son fonctionnement.

Jusqu’à présent, les recherches se concentraient principalement sur l’analyse de demi-piles, qui ne reproduisent pas fidèlement les conditions réelles d’utilisation. L’approche développée par l’équipe suédoise consiste à démonter périodiquement une pile complète pour l’observer au microscope électronique.

Björn Wickman, professeur associé au département de physique de l’université et responsable de l’étude, a affirmé : «On supposait auparavant que le démontage et l’examen de la pile affecteraient ses performances, mais nous avons constaté que cette hypothèse était erronée, ce qui est surprenant.»

Une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation

Cette nouvelle approche expérimentale a permis aux chercheurs d’observer la dégradation des matériaux à l’échelle nanométrique et micrométrique. Ils ont ainsi pu identifier précisément les moments et les zones où survient la détérioration.

«Auparavant, nous ne pouvions examiner la pile qu’après son utilisation. Désormais, nous sommes en mesure d’observer les étapes intermédiaires. Le suivi d’une particule spécifique dans une zone donnée offre une bien meilleure compréhension des processus de dégradation.» a expliqué pour sa part Linnéa Strandberg, doctorante à l’Université Chalmers.

Les informations obtenues s’avèrent essentielles pour le développement de nouvelles piles à combustible plus performantes et durables. Elles permettront également d’optimiser le contrôle des piles existantes.

Vers des piles à combustible plus durables pour les véhicules lourds

Le Département américain de l’Énergie (DOE) a souligné l’importance d’améliorer la longévité des piles à combustible pour favoriser le succès commercial des véhicules à hydrogène. Selon les standards de l’industrie, un camion doit pouvoir fonctionner entre 20 000 et 30 000 heures au cours de sa durée de vie, un objectif que les piles actuelles ne peuvent atteindre.

Björn Wickman a conclu : «Nous avons posé les bases pour le développement de meilleures piles à combustible. Nous comprenons maintenant mieux les processus qui se déroulent dans la pile et à quel moment ils surviennent au cours de sa durée de vie. À l’avenir, cette méthode sera utilisée pour concevoir et étudier de nouveaux matériaux capables de prolonger la durée de vie des piles.

Légende illustration : Crédit – Université de technologie de Chalmers | Linnéa Strandberg et Victor Shokhen

Article : « Carbon Support Corrosion in PEMFCs Followed by Identical Location Electron Microscopy »- DOI: 10.1021/acscatal.4c00417