Élastomères : une alternative à l'acier inoxydable Batteries PEM

La mobilité sans émission a de plus en plus de chances de devenir réalité chaque jour grâce à la technologie des piles à combustible à hydrogène (PEMFC), qui connaît une croissance rapide. 

Les piles à combustible PEM, qui comptent parmi les dispositifs de conversion énergétique les plus efficaces, convertissent l'oxygène de l'air et l'hydrogène en énergie propre, ne laissant que de l'eau comme sous-produit. Leur faible température de fonctionnement et leur excellente fiabilité les rendent particulièrement adaptées à de vastes applications en tant que sources d'énergie pour le marché des véhicules commerciaux.

Comment fonctionne une pile à hydrogène ?

Les piles à combustible à hydrogène, connectées parallèlement en "piles", produisent de l'électricité grâce à une série de réactions chimiques qui aboutissent à la formation d'eau. Sur l'anode, l'hydrogène cède ses électrons, produisant des ions H+. Les électrons séparés voyagent ensuite à travers un circuit externe jusqu'à la cathode sous forme de courant, qui est utilisé pour alimenter un système de traction électrique. À la cathode, l'oxygène réagit avec les ions H+ et les électrons entrants pour former des hydroxyles OH-, qui réagissent à leur tour avec les ions H+ et les électrons pour produire de l'eau.

Même si le principe de fonctionnement semble simple, les PEMFC sont des systèmes très délicats dont les composants doivent être choisis avec soin. Le catalyseur utilisé aux électrodes est à base de platine, un métal coûteux, ce qui facilite l'empoisonnement de la pile par des particules étrangères pouvant provenir du combustible ou des composants de la pile.

Exigences croissantes en matière de matériaux pour les piles à hydrogène : durabilité, pureté, poids.

L'empoisonnement du catalyseur ou de la membrane peut entraîner une chute spectaculaire des performances de la pile à combustible et réduire considérablement sa durée de vie. La durabilité de la pile influe directement sur son coût, d'où les exigences élevées en matière de sélection des bons matériaux pour les composants de la pile afin d'accroître la fiabilité du système.

Problèmes de pureté des matériaux métalliques

L'acier inoxydable est un matériau approprié pour les équipements structurels des piles à combustible, tels que les tuyauteries, les bouteilles de gaz ou les vannes. En raison de sa ténacité et de sa ductilité, l'acier inoxydable est largement préféré pour les pièces des piles à combustible telles que les tuyauteries et les réservoirs à haute pression, qui sont en contact avec de l'hydrogène de haute pureté et à haute pression.

Malgré ses nombreuses qualités, l'acier inoxydable en contact prolongé avec l'hydrogène subit d'importantes modifications structurelles qui ont un impact négatif sur le système de pile à combustible, sans parler de son poids et de son coût élevés. Parmi les principales préoccupations liées à l'utilisation de métaux dans les PEMFC figurent des phénomènes tels que la fragilisation par l'hydrogène et la corrosion.

La fragilisation par l'hydrogène se produit lorsque l'hydrogène pénètre et se diffuse dans les métaux. Ceux-ci deviennent alors cassants. Ce phénomène est dû au fait que la molécule d'hydrogène en contact avec les métaux se divise en deux atomes et pénètre dans le matériau à l'état atomique, provoquant un effet nocif. L'ampleur de la fragilisation dépend de la quantité d'hydrogène absorbée et de la microstructure du matériau. 

La fragilisation par l'hydrogène peut se produire dans toutes les situations où l'hydrogène est en contact direct avec des pièces métalliques, telles que le réservoir d'hydrogène et la boucle d'anode de la pile à combustible.

Problèmes de durabilité des matériaux métalliques

Un autre phénomène menaçant la durée de vie des pièces métalliques est leur sensibilité à la corrosion, en particulier lorsque le métal n'est pas revêtu. Les métaux peuvent se dissoudre dans l'environnement acide et humide des piles à combustible PEM, entraînant la lixiviation d'ions susceptibles d'empoisonner l'assemblage membrane-électrode, ce qui entraîne une diminution de la puissance de sortie de la pile à combustible.

Élastomères : la solution pour les piles à combustible à hydrogène

Les élastomères constituent la solution idéale pour les tuyaux et les joints des systèmes de piles à combustible. Leur grande souplesse et leur légèreté en font des candidats parfaits pour les tuyaux de forme complexe qui doivent être placés sous le capot des véhicules équipés de piles à combustible.

La fragilisation par l'hydrogène ne se produit pas dans les élastomères, car dans les polymères, l'hydrogène est absorbé sous forme de molécule diatomique. L'effet de l'hydrogène sur les élastomères est basé sur la perméabilité, la diffusivité et la solubilité de l'hydrogène dans ces derniers. Ces paramètres varient en fonction de la famille d'élastomères et des ingrédients choisis. Par exemple, la perméabilité du caoutchouc silicone est beaucoup plus élevée que celle des fluoroélastomères à base de fluorocarbures.

La recette de compoundage a également un impact sur la pureté du matériau et sur les ions qui peuvent s'en dégager. Par exemple, les valeurs de lixiviation acceptables d'éléments tels que les halogènes (F, Cl, Br, I), les métaux alcalins (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) et les métaux alcalino-terreux (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) doivent être évaluées.

Chez Venair, les composés des tuyaux pour piles à combustible sont adaptés pour répondre aux caractéristiques souhaitées et contrôler la quantité de substances de lixiviation, tout en maintenant une faible perméabilité à l'hydrogène.

SOURCES

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2014.00002/full

https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-hydrogen-embrittlement

https://www.technology.matthey.com/article/57/4/259-271/