Projet ANR-15-CE05-0025 – COMEHTE : Membranes composites faible humidité relative et température intermédiare comme électrolyte pour piles à combustible de type PEMFC
Programme : Stockage, gestion et intégration dans les réseaux des énergies (DS0205) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Christian BEAUGER (ARMINES, Centre Procédés Energies Renouvelables et Systèmes Energétiques de Mines ParisTech)
Montant : 754148.0 euros
Date de début : 2016
Durée : 42 mois
Résumé : La nécessaire réduction des émissions de gaz à effet de serre, comme préoccupation mondiale, devrait plus que jamais nous inciter à chercher des alternatives aux ressources fossiles et les procédés de conversion adaptés.
Les piles à combustibles, entre autre, joueront un rôle stratégique dans la transition énergétique à venir, et sont susceptibles de devenir un acteur clef dans le futur mix énergétique. Les piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont sans doute les plus polyvalentes. Elles permettent de répondre à de nombreux besoins en proposant une large gamme de puissance accessible (du mW pour les applications portables, au MW pour les stationnaires en passant par quelques dizaines de kW pour le transport). En 2012, les PEMFC représentaient 88% des expeditions (457 000 unités) pour 41% de la puissance (166.7 MW). Une préoccupation majeure du développement des PEMFC, particulièrement dans le domaine du transport, est d’augmenter leur température de fonctionnement au-dessus de 100°C tout en diminuant les conditions d’humidité relative. Aujourd’hui, la température de fonctionnement est encore limitée par l’électrolyte utilisé au sein des assemblages membrane-électrodes. 
Dans le projet COMEHTE, nous proposons de tirer parti des propriétés très hygroscopiques d’argiles pour développer des membranes composites à base de sépiolite microfibreuse ou d’halloysite tubulaire. Ces argiles seront fonctionnalisées pour les rendre dans le but d’orienter la morphologie des membranes à l’échelle nano, i) pour les rendre conductrices protoniques (addition de groupements acides et ii) pour favoriser l’interaction avec le Nafion® matrice hôte (addition de groupements fluorés). La morphologie particulière, allongée, de ces argiles participera à l’amélioration des propriétés mécaniques des membranes composites. Cette approche sera couplée au développement de renforts nanofibreux actifs pour améliorer encore la résistance mécanique des membranes et à l’incorporation de « capteurs » de radicaux pour limiter leur dégradation chimique. Les matériaux composites développés seront également utilisés comme conducteur protonique dans les couches catalytiques afin d’optimiser l’interface membrane-électrode. 
Fonctionnalisation chimique, activation plasma et complexation thermique seront étudiées comme voies complémentaires pour modifier les matériaux de base. Des précurseurs à base de silanes seront utilisés comme agents de couplage avec les groupements hydroxyles recouvrant les surfaces internes et externes des argiles sélectionnées. Des plasmas neutres ou réactifs seront appliqués soit pour créer des radicaux réactifs visant à faciliter les étapes de fonctionnalisation chimiques ultérieures, soit pour fonctionnaliser directement les argiles traitées. La complexation thermique pourra notamment permettre de favoriser la dispersion des charges dans la matrice polymère. Un panel varié de techniques de caractérisation sera mis en œuvre pour identifier les voies de traitement les plus appropriées afin de sélectionner les composites les plus prometteurs. La sélection sera réalisée sur la base d’un certain nombre de critères comme la capacité d’échange ionique, la conductivité protonique, le gonflement, la résistance thermomécanique ou la stabilité thermochimique.
Les matériaux sélectionnés seront ensuite utilisés pour préparer des assemblages membrane-électrodes (AMEs) à partir des membranes et des électrodes développées dans le projet. Les AMEs seront alors testées en conditions « sévères » de fonctionnement (température élevée, faible humidité relative, vieillissement accéléré) et comparés au comportement d’AMEs de référence.
Les AMEs les plus prometteurs seront finalement testés en petit stack, selon des protocoles de type automobile.