Mise en forme de nanotubes de carbone alignés comme nouveaux microporeux pour couche de diffusion de gaz des piles à combustible

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont prometteuses pour les transports en raison de leur forte densité de puissance et de leur faible émission carbone. Elles convertissent l’énergie chimique de l’hydrogène et de l’oxygène en électricité, avec production d’eau et de chaleur. Au sein de la pile, la couche de diffusion des gaz (Gas Diffusion Layer, GDL), située entre la couche catalytique et la plaque bipolaire, assure simultanément la distribution des réactifs, l’évacuation de l’eau liquide produite, la conduction électronique et thermique ainsi que le soutien mécanique de l’assemblage membrane-électrodes (AME).
Les GDL conventionnelles sont généralement constituées d’un substrat macroporeux en fibres de carbone associé à une couche microporeuse. Cette architecture doit répondre simultanément à des exigences parfois antagonistes : assurer le transport des gaz, évacuer l’eau liquide tout en maintenant l’hydratation de l’AME, assurer une bonne conductivité électrique et thermique et conserver ses propriétés en fonctionnement. L’évacuation de l’eau liquide repose notamment sur des agents hydrophobes tels que le PTFE, dont la durabilité constitue un enjeu. Le développement de nouveaux matériaux permettant de contrôler ces phénomènes de transport constitue ainsi un enjeu pour améliorer les performances et la durabilité des PEMFC.
Les nanotubes de carbone (CNT), grâce à leurs propriétés hydrophobes, chimiques et conductrices, offrent la possibilité de fabriquer des GDL autosupportés sans traitement fluoré.
Des nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNT) sont synthétisés par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur catalytique assistée d’aérosols (AACCVD) puis dispersés et filtrés afin de former un papier poreux hydrophobe de faible épaisseur constitué de NTC entrelacés.
Dans ce contexte, cette thèse s’inscrit dans le cadre du PEPR H2. Elle s’insère plus précisément dans le projet PEMFC95, dont l’objectif est d’augmenter la température de fonctionnement nominale des PEMFC de 80 °C à 95 °C
-pour des applications dédiées à la mobilité lourde. Plus précisément, cette thèse réalisée entre le CEA de Saclay et le CEA Grenoble porte sur le développement d’une GDL innovante à base de nanotubes de carbone, sous forme de papier poreux, conducteur électronique et thermique, hydrophobe appelée « buckypaper ».
L’objectif de cette étude est à la fois technologique et scientifique : développer des architectures de GDL à base de NTC adaptées aux conditions de fonctionnement visées et établir les relations entre leur structure, leurs propriétés de transport et les performances électrochimiques de la pile notamment dans les conditions du projet. Une caractérisation multi-échelle couplée à des essais en cellule différentielle a permis de relier les propriétés des matériaux aux mécanismes de transport et aux performances électrochimiques.
L’optimisation de la GDL cathodique a conduit à l’utilisation une structure de GDL bicouche associant un buckypaper densifié à un macroporeux fibreux. Cette configuration permet d’atteindre, et dans certaines conditions de dépasser, les performances de la GDL commerciale de référence, sans recours à un traitement hydrophobe à base de PTFE. L’optimisation de la GDL anodique a pu montrer qu’il est possible d’améliorer les performances. Démontrant ainsi l’importance, souvent sous-estimée, de cette électrode pour maximiser l’hydratation du coeur de pile tout en maintenant un transport d’oxygène très efficace.
Cette thèse met donc en évidence le potentiel des architectures à base de nanotubes de carbone comme voie alternative aux GDL conventionnelles et apporte également des éléments de compréhension sur les relations entre structure poreuse, transport de l’eau liquide et vapeur, transport des réactifs et performances des PEMFC. Ces données pourraient ainsi être utiles comme données d’entrée pour valider ou affiner les modèles de transport dans les PEMFC.