Détecter comment de minuscules contaminants métalliques peuvent encrasser une pile à combustible

Brian Owens

Les recherches menées par une équipe de l’Université métropolitaine de Toronto devraient permettre de mettre au point une nouvelle génération de cellules plus durables et plus efficaces.

Les piles à combustible à hydrogène sont un candidat prometteur pour remplacer les moteurs à combustion interne, en particulier pour les véhicules lourds tels que les camions longue distance et les chariots élévateurs. Plutôt que de brûler du carburant, l’hydrogène réagit avec l’oxygène pour produire de l’électricité, à l’instar d’une batterie, sans émettre de dioxyde de carbone.

Cependant, au fur et à mesure de leur fonctionnement, les piles à combustible sont contaminées par de minuscules particules métalliques chargées positivement, également appelées cations métalliques, qui peuvent nuire à leur performance. Ces particules peuvent provenir de n’importe où – impuretés dans l’hydrogène, dégradation des pièces métalliques de la pile, ou même de l’air – et elles sont « néfastes », explique ChungHyuk Lee, ingénieur chimiste à l’Université métropolitaine de Toronto.

« Ils s’accumulent dans les couches catalytiques de la cellule et entravent la réaction chimique », explique-t-il.

Pour comprendre exactement comment ces cations se comportent dans une pile à combustible, Lee et ses collègues ont ajouté des ions cobalt à une pile à combustible et ont utilisé la lumière ultra-brillante du Centre canadien de rayonnement synchrotron (CLS) de l’Université de Saskatchewan pour suivre leur mouvement à travers une version simplifiée d’une pile à combustible. L’utilisation de la ligne de lumière BioXAS du CLS était essentielle pour l’expérience, a déclaré Lee, car les cations se déplacent si rapidement qu’aucun autre appareil n’est assez rapide pour enregistrer leur mouvement.

Ils ont utilisé les mesures recueillies au CLS pour construire un modèle mathématique permettant de prédire la distance et la vitesse auxquelles ils se déplaceraient dans une cellule réelle dans différentes conditions.

Ils ont découvert que les cations étaient particulièrement mobiles dans des conditions plus humides, courantes dans les piles à combustible, ce qui rendait plus difficile le contrôle des contaminants. De plus, ils avaient tendance à rester coincés dans les couches catalytiques minces, mais « sinueuses et tortueuses », où ils interféraient avec les réactions produisant de l’électricité.

En savoir plus sur le comportement des contaminants cationiques dans une pile à combustible devrait aider les scientifiques à mettre au point de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes d’exploitation des piles qui réduisent la contamination ou aident à l’éliminer, afin que la prochaine génération de piles à combustible dure plus longtemps et fonctionne plus efficacement, a déclaré Lee, lauréat 2023 du prix d’excellence CLS Early Career Investigator.

« Nous devons réfléchir à des stratégies matérielles ou opérationnelles qui peuvent aider ces cations à s’éloigner du catalyseur », a-t-il conclu.

Lee, Andre PC, Fatima Aziz, Fazele Karimian Bahnamiri, Malgorzata Korbas, Viorica F. Bondici, Jasna Jankovic et ChungHyuk Lee. « Elucidating Cation Transport Properties in Nafion Membranes and Electrode Ionomer Network via X-ray Fluorescence Imaging ». Journal of The Electrochemical Society 172, no. 6 (2025) : 064502. DOI:10.1149/1945-7111/addd6a