Membranes hybrides multi-stabilisées pour pile à combustible et électrolyseur – MULTISTABLE

Les sources d’énergie renouvelable (éolien, solaire…) sont par nature intermittentes, ce qui rend très variable la production énergétique "verte". La filière hydrogène offre une solution de stockage chimique de cette énergie électrique, grâce à l’électrolyseur d’eau à membrane échangeuse de proton (ou électrolyte polymère) (PEMWE). Cette énergie chimique peut être, par la suite, à nouveau restituée sous forme d’énergie électrique par la pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC). Le couple PEMWE/PEMFC est donc une solution de développement durable. Afin de garantir l’émergence de cette filière, la membrane PEM, au cœur du dispositif, doit permettre le fonctionnement des PEMWE à hautes pressions (typiquement 50 bars), pour une distribution de l’hydrogène sans surcoût énergétique. Quant aux PEMFC, la membrane PEM doit permettre le fonctionnement à haute température (100-120°C) et donc à faible humidité relative (10-50%), pour des questions de rendement et de tolérance des catalyseurs aux pollutions dans les gaz d’alimentation.
Cependant, les électrolytes perfluorés, systèmes de référence connus pour leur excellente stabilité chimique, perdent l’essentiel de leurs propriétés mécaniques et de conduction protonique à haute température/faible humidité. Inversement, si la stabilité thermomécanique des électrolytes polyaromatiques sulfonés semble adéquate, leur conduction protonique est généralement faible et leur durabilité chimique trop limitée. Malgré les efforts de recherches dédiés à la conception de nouvelles membranes, le constat actuel est qu’aucune d’entre elles ne peut assurer ce cahier des charges, leurs performances et durées de vie étant insuffisantes. Le développement à grande échelle de ces technologies et donc l’essor de la filière hydrogène, passe nécessairement par une rupture technologique au niveau de l’électrolyte polymère.
Une des stratégies mise en place pour limiter les effets du vieillissement et améliorer les propriétés mécaniques des membranes, consiste à introduire des nanocharges ou des renforts fibreux voire à créer un réseau réticulé. Ces approches incrémentales ont abouti à des résultats qui sont à ce jour plutôt décevants. In fine, une multitude d’électrolytes polymères potentiellement intéressants sont donc disponibles pour les applications PEMFC sous réserve d’améliorer leur stabilité chimique, thermomécanique ou leur conductivité protonique.
Le projet MULTISTABLE vise à améliorer toutes les propriétés des membranes commerciales actuelles via une approche versatile basée sur la chimie Sol-Gel (SG) en rupture avec les approches traditionnelles. En effet, des précurseurs SG peuvent être aisément introduits à l’intérieur d’une membrane commerciale hôte pour former en son sein un réseau SG 3D et ainsi améliorer ses propriétés mécaniques en jouant le rôle de renfort. Le concept novateur de MULTISTABLE est d’utiliser cette phase SG pour introduire en plus dans la membrane des inhibiteurs de la dégradation chimique et ainsi lever le verrou technologique membrane. En effet, cette phase SG peut détruire les agents dégradants formés en pile pour peu que ses précurseurs SG soient porteurs de groupes organofonctionels stabilisants. Ces groupes organofonctionneles peuvent être de type sacrificiel (consommés au cours du temps) ou rédox (autorégénérables). MULTISTABLE vise à combiner ces deux approches, sacrificiels et redox, afin de garantir une protection optimale de la membrane et ce quelle que soit la durée de vie des espèces dégradantes formées en pile (radicaux et eau oxygéne) et la sensibilité intrinsèque de la membrane polymère (plus grande réactivité des sites sacrificiels versus redox). Enfin, la voie SG peut permettre l’introduction de groupes acides supplémentaires pour assurer une conductivité optimale de la membrane en pile. MULTISTABLE vise donc à développer des membranes hybrides hautes performances et durables pour les applications transport et stationnaire.