Dans les électrodes d’une pile à combustible (PAC), l’électricité est produite par des réactions électrochimiques se déroulant dans une couche ultrafine de polymère conducteur protonique. Cette nanocouche de polymère est la zone où tous les réactifs chimiques sont acheminés, et mis en contact avec des particules de carbone contenant le catalyseur de la réaction : le platine. Jamais observée directement avec précision, l’épaisseur de la nanocouche de polymère est estimée entre 5 et 10 nanomètres (10-9 m). L’épaisseur et la surface de contact entre le polymère et les particules de carbone sont pourtant des éléments-clés pour la performance de la pile à combustible : c’est dans cette zone que tous les réactifs se retrouvent en contact.
Les chercheurs du SPRAM, du SP2M et du CEA-Liten sont parvenus à développer un mode opératoire qui permet de visualiser la répartition de ce polymère dans les électrodes, et ainsi de contrôler tous ces paramètres. Le CEA-Leti a pour sa part apporté les solutions de reconstruction 3D des images obtenues.
- SPRAM : Structure et Propriétés d'Architectures Moléculaires, unité mixte du CEA-Inac, du CNRS et de l’Université Grenoble-Alpes
- SP2M : Service de Physique des Matériaux et Microstructures, structure fédérative du CEA-Inac et de l’Université Joseph Fourier
- Liten : Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux
- Leti : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information
La nouvelle approche développée par les chercheurs du CEA, du CNRS et de l'Université Grenoble-Alpes permet de visualiser en 3D l'épaisseur et le recouvrement de la nanocouche de polymère conducteur ionique (en bleu) sur les particules de carbone, ces paramètres étant des éléments-clé pour la réaction de production d'électricité dans les piles à combustible.
En travaillant sur des échantillons dont le nanocatalyseur (platine) a été retiré, et marqués au césium (pour un meilleur contraste sur les images générées), ils ont pu, grâce à un microscope électronique en transmission de pointe, observer ces prélèvements d’électrodes en 3D. Ils ont ainsi déterminé avec précision à la fois l’épaisseur de la couche mais aussi son taux de recouvrement des particules de carbone. Cette nouvelle technique de mesure donne accès à ces données jusqu’alors inatteignables et indispensables pour un bon contrôle de la fabrication de ces éléments, afin d’obtenir une couche optimale (fine et continue) qui permettra d’améliorer le fonctionnement de la PAC.
Cette technique de visualisation peut dès lors être utilisée pour qualifier différents procédés de fabrication des assemblages membrane-électrodes des piles à combustible, et d’évaluer différents polymères… Ajoutées au champ prospectif de la modélisation du fonctionnement de ces électrodes, cette nouvelle technique de visualisation apportera une aide précieuse dans la R&D afin d’augmenter leurs performances tout en réduisant la quantité nécessaire de platine.
Schéma de l’ensemble électrode-membrane constituant les piles à combustibles © Laure Guétaz / CEA
Zoom sur la zone de contact entre la membrane et les particules de carbone. Cette zone (en rose) est constituée d’une nanocouche de polymère conducteur ionique, où les réactifs se retrouvent au contact de nanoparticules de platine (Pt) qui catalysent la réaction de production d’électricité. © Laure Guétaz / CEA
Ces travaux se sont appuyés sur la Plateforme de nanocaractérisation du CEA-Grenoble, ensemble de moyens de rang mondial, dont la finalité est d’observer et mesurer les propriétés ultimes de matériaux synthétisés dans des dispositifs à l’échelle du nanomètre.
Les précédentes techniques de visualisation ne montrent qu’une projection de la nanocouche (pointillés rouge) et ne fournissent pas d’information sur le taux de recouvrement en 3D. © CEA