Une équipe de recherche collaborative, dont le Laboratoire national de Los Alamos, Université de Stuttgart (Allemagne), Université du Nouveau-Mexique, et les laboratoires nationaux Sandia, a développé un conducteur de protons pour piles à combustible à base d'acides polystyrène phosphoniques qui maintiennent une conductivité protonique élevée jusqu'à 200 degrés C sans eau. Ils décrivent l'avancée matérielle dans un article publié cette semaine dans Matériaux naturels .

Hydrogène produit à partir d'énergie renouvelable, nucléaire, ou des combustibles fossiles avec captage du carbone, utilisation, et le stockage peuvent aider à décarboniser les industries et à fournir la résilience énergétique et la flexibilité dans de multiples secteurs de l'économie. Vers cela, les piles à combustible sont une technologie prometteuse qui convertit l'hydrogène en électricité par un processus électrochimique, n'émettant que de l'eau.

« Alors que la commercialisation de véhicules électriques à pile à combustible à haut rendement a commencé avec succès, " a déclaré Yu Seung Kim, chef de projet à Los Alamos, « Des innovations technologiques supplémentaires sont nécessaires pour que la plate-forme de piles à combustible de nouvelle génération évolue vers des applications de véhicules lourds. L'un des défis techniques des piles à combustible actuelles est le rejet de la chaleur des réactions électrochimiques exothermiques des piles à combustible.

« Nous nous efforcions d'améliorer les performances des piles à combustible à membrane haute température après avoir développé une membrane coordonnée par paires d'ions en 2016, " a déclaré Kim. " Les polymères à paires d'ions sont bons pour l'utilisation de la membrane, mais la teneur élevée en dopants d'acide phosphorique a provoqué un empoisonnement des électrodes et des inondations d'acide lorsque nous avons utilisé le polymère comme liant d'électrode. »

Dans les piles à combustible actuelles, l'exigence de rejet de chaleur est satisfaite en faisant fonctionner la pile à combustible à une tension de pile élevée. Pour obtenir un moteur à pile à combustible efficace, la température de fonctionnement des piles à combustible doit augmenter au moins jusqu'à la température du liquide de refroidissement du moteur (100 degrés C).

"Nous pensions que les polymères phosphonés seraient une bonne alternative, mais les matériaux précédents n'ont pas pu être mis en œuvre en raison de la formation indésirable d'anhydride aux températures de fonctionnement des piles à combustible. Nous nous sommes donc concentrés sur la préparation de polymères phosphonés qui ne subissent pas la formation d'anhydride. L'équipe de Kerres à l'Université de Stuttgart a pu préparer de tels matériaux en introduisant une partie fluor dans le polymère. Il est passionnant que nous ayons maintenant à la fois une membrane et un liant ionomère pour les piles à combustible à haute température, " dit Kim.

Il y a dix ans, Atanasov et Kerres ont développé une nouvelle synthèse pour un poly(pentafluorostyrène) phosphoné qui consistait en les étapes (i) de polymérisation du pentafluorostyrène via une polymérisation radicalaire en émulsion et (ii) de phosphonation de ce polymère par une réaction de phosphonation nucléophile. Étonnamment, ce polymère a montré une bonne conductivité protonique étant supérieure à celle du Nafion dans la plage de température> 100 degrés C, et une excellente stabilité chimique et thermique inattendue de> 300 degrés C.

Atanasov et Kerres ont partagé leur développement avec Kim à Los Alamos, dont l'équipe a à son tour développé des piles à combustible à haute température à utiliser avec les polymères phosphonés. Avec l'intégration de l'assemblage membrane-électrode avec la membrane coordonnée par paires d'ions du LANL (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016), les piles à combustible utilisant le polymère phosphoné présentaient une excellente densité de puissance (1,13 W cm-2 sous H 2 /O 2 conditions avec> 500 h de stabilité à 160 degrés C).

Et après? "Atteindre plus de 1 W cm ^-2 la densité de puissance est une étape critique qui nous dit que cette technologie peut passer avec succès à la commercialisation ", a déclaré Kim. Actuellement, la technologie poursuit sa commercialisation par l'intermédiaire de l'ARPA-E du ministère de l'Énergie et de l'Office des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible au sein de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE).