Dévoiler les mécanismes de propagation des défauts locaux dans les PEMFC, par mesure et exploitation de la distribution de densité de courant locale – LOCALI

Premièrement, LOCALI a développé une instrumentation dédiée à la mesure locale de la densité de courant, du potentiel, de la surface électro-active, etc. : les cellules segmentées multi-instrumentées et la mesure des champs magnétiques se sont avérées essentielles pour atteindre ces objectifs. Le deuxième défi de LOCALI a été, en élaborant des AME avec des défauts, dits AME pathologiques adaptés ou grâce à des conditions opératoires spécifiques (noyage, épuisement des réactifs, ...) de caractériser comment les performances locales et globales des AME sont impactées. Notre objectif était, d’une part, d'identifier la source des hétérogénéités de vieillissement et, d’autre part, de localiser les zones dégradées à l'intérieur d'un stack. Finalement, LOCALI a permis de suivre, pendant le vieillissement, comment un défaut initial et contrôlé se propage lors du fonctionnement. Une attention particulière a été portée à deux aspects importants : (i) comment un défaut dans l'un des matériaux de l’AME, dans notre cas un manque de couche active à l’anode, influence la dégradation locale de ses matériaux voisins ; (ii) comment ce défaut se propage-t-il spatialement dans le plan de l’AME (par exemple de l'entrée aux régions de sortie) ou à l'échelle de pile, c'est-à-dire de la cellule à ses voisines.

Les résultats ont mis en évidence les premières preuves de la propagation des défauts au sein d’un AME et d’une cellule à l’autre dans une pile. A l’échelle des cellules segmentés, cela a été mis en évidence par une perte de surface électro-active de l'anode et un amincissement significatif de la membrane dans le sens de circulation des flux H2 et O2. A l’échelle du stack, les mesures des courants de perméation réalisées au cours des essais ont montré une augmentation de la perméation (et donc une perte des propriétés fonctionnelles) des cellules proches du défaut. Grâce à ces résultats, un mécanisme de propagation de la dégradation a été proposé pour un type de défaut.

Ce projet a permis au consortium d’acquérir de nouvelles compétences dans le domaine de la caractérisation des piles à combustible et de produire de nouvelles connaissances sur les mécanismes de propagation des défauts qui pourront être valorisées dans le cadre des projets PEMFC95 et DURASYS-PAC (PEPR-H2) impliquant les partenaires de LOCALI. D’autre part, seul l’influence de quelques types de défauts a pu être investigué dans le cadre du projet LOCALI. Il pourrait donc être pertinent de poursuivre avec d’autres défauts pour compléter les mécanismes de propagation amorcés par cette étude.

Ce projet a aussi conduit à la rédaction de publications multipartenaires dans des revues à fort impact et la participation à des conférences nationales et internationales sur les principaux résultats du projet. Un article plus généraliste a aussi été publié sur le site d’actualité du département INSIS du CNRS (https://www.insis.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/piles-combustible-des-defauts-dans-les-electrodes-peuvent-se-propager-dautres-composants).

La fiabilité et la durabilité semblent être les facteurs les plus importants pour le déploiement des PEMFC. En partant du constat que les influences des défauts aux échelles des matériaux, de l’AME et la pile sont maintenant connues, LOCALI doit fournir des informations sur la propagation de ces défauts d’un matériau à un autre dans une AME ou d’une cellule à l’autre dans la pile. Pour ce faire, le projet vise d'abord à développer une technique innovante associant SEI et la mesure des champs magnétiques pour détecter les défauts des PEMFC à l'échelle de la pile, et permettant une meilleure compréhension des mécanismes régissant leur propagation. Par conséquent, l'étude se concentre sur trois axes principaux, qui seront développés pour PEMFC (mais peut facilement être mis en œuvre pour E-PEM).
Premièrement, LOCALI développera une instrumentation dédiée à la mesure locale de la densité de courant et de spectroscopie d'impédance électrochimique locale: les cellules segmentées bien instrumentées et la mesure des champs magnétiques sont les compétences essentielles pour atteindre ces objectifs. Le deuxième défi de LOCALI est, en utilisant des MEA défectueux adaptés ou grâce à des conditions opératoires spécifiques (inondation, épuisement des réactifs, ...) de caractériser comment les performances locales et globales des MEA sont impactées et d'identifier les signatures des différentes anomalies. Notre objectif est d’une part, d'identifier la source des hétérogénéités et d’autre part de localiser les zones dégradées à l'intérieur d'un stack. Finalement, Locali permettra de suivre, pendant le vieillissement, comment les défauts initiaux et contrôlés se propagent lors du fonctionnement. Une attention particulière sera portée sur deux points: (i) comment un défaut dans l'un des matériaux du MEA (par exemple un trou dans le PEM) influence la dégradation locale de ses matériaux voisins (par exemple la couche de catalyseur); (ii) comment le défaut se propage-t-il spatialement et, dans l'affirmative, ne se produit-il qu'à l'échelle MEA (par exemple de l'entrée aux régions de sortie) ou à l'échelle de pile (c'est-à-dire de la cellule à ses voisins).