Réduction de 60 à 80 % du coût de fabrication des membranes échangeuses de protons destinées aux véhicules électriques à pile à combustible

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- Boucherville, Québec

La plupart des véhicules électriques puisent l'électricité qui fait tourner leur moteur d'une batterie. Cependant, saviez‑vous qu'actionner un moteur électrique avec une pile à hydrogène (c'est‑à‑dire une pile qui combine l'hydrogène et l'oxygène pour en générer de l'électricité) présente des avantages appréciables? En effet, un moteur électrique alimenté par une pile à combustible est plus efficace qu'un moteur à combustion interne classique, le temps de remplissage du réservoir du combustible (l'hydrogène) est de trois à cinq minutes, son autonomie dépasse les 500 km par réservoir et le véhicule ne dégage que de la chaleur et de l'eau! Une technologie à émission zéro qu'il ne faudrait certainement pas écarter!

Malheureusement, avant que les véhicules électriques à pile à combustible (VEPC) ne prennent d'assaut le marché, il reste encore quelques obstacles à surmonter, notamment leur coût, leur durabilité et la création d'une infrastructure de ravitaillement en hydrogène. Pour ces raisons, la nécessité d'une technologie concurrentielle susceptible de répondre aux exigences des marchés à haut volume commercial demeure plus pertinente que jamais.

En tenant en compte tout ce contexte, une équipe de scientifiques du Conseil National de Recherches du Canada (CNRC) a mis au point un procédé rentable pour fabriquer des électrolytes polymères, composante essentielle dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), la technologie de choix pour les VEPC.

En ayant recours à une approche novatrice pour fabriquer les électrolytes polymères d'échange de protons, Asmae Mokrini, chef d'équipe et agente de recherches principale au CNRC, a conçu un nouveau procédé de fabrication qui fait appel à la technologie d'extrusion‑soufflage.

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La chef d'équipe et agente de recherches principale Asmae Mokrini (à gauche) et l'agent technique François Vachon, du CNRC, préparent un assemblage membrane-électrodes avec la nouvelle technologie en vue d'un essai avec une pile à combustible.

Quel est ce procédé? Ce procédé unique chauffe le polymère thermoplastique dans une extrudeuse, il est ensuite extrudé à travers une filière circulaire, tout cela en une seule étape. L'air soufflé au centre du tube obtenu par extrusion en provoque une expansion radiale. L'étirement du polymère fondu s'effectue donc à la fois radialement et en amont, et arrête à la ligne de refroidissement, c'est‑à‑dire là où le polymère fondu cristallise et ne peut s'étendre davantage. Les cylindres compresseurs qui recueillent la pellicule obturent l'extrémité de la bulle pour garder l'air sous pression à l'intérieur. L'industrie des films et des membranes utilise couramment ce procédé, mais, jusqu'à présent, on ne l'avait jamais appliqué à des polymères fonctionnels de haute valeur ajoutée. En plus, le procédé du CNRC, combiné à l'utilisation d'additifs choisis, permet de fabriquer des membranes échangeuses de protons sous leur forme protonée. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un post‑traitement chimique agressif pour rétablir les groupes échangeurs de protons.

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Installation à échelle semi-industrielle du CNRC pour la fabrication de membranes échangeuses de protons

Une analyse techno‑économique a permis d'évaluer le coût de mise en échelle du  procédé basé sur la nouvelle technologie du CNRC afin d'en établir la faisabilité pour une éventuelle exploitation commerciale. Les résultats de l'analyse ont ensuite été comparés à ceux obtenus avec le procédé employé dans l'état de l'art actuellement, et ont révélé que l'on avait atteint le coût de production de 20 $/m2, cible visée par le Département de l'énergie (DOE) des États‑Unis, à partir d'une production annuelle remarquablement faible de seulement 30,000 VEPC par année.

En résumé, le procédé du CNRC réduit les coûts de 60 à 80 % à tous les taux de production annuels considérés dans l'étude.

Coût du procédé de fabrication des membranes échangeuses de protons (MEP) du CNRC
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Description détaillé de Coût du procédé de fabrication des membranes échangeuses de protons (MEP) du CNRC
Coût du procédé de fabrication des membranes échangeuses de protons (MEP) du CNRC
Production annuelle de véhicules Unités 1 000 5 000 30 000 80 000 130 000 500 000
Production annuelle de MEPNote de bas de page * m2/an 10 000 50 000 300 000 800 000 1 300 000 5 000 000
Procédé de fusion-soufflage du CNRC $/m2 508,42 52,57 19,30 15,43 12,42 8,76
Moulage avec une solution d'ePTFE (étude du CNRC) $/m2 1316,31 347,98 89,71 60,10 42,94 24,20
Coût réel NafionMD XL, NafionMD 211, NafionMD HP (Ion Power Inc.) $/m2 1600-2300        

La technologie de fabrication des membranes échangeuses de protons mise au point au CNRC présente plusieurs avantages additionnels : les membranes sont auto‑renforcées et ont des propriétés uniques quant à la gestion d'eau, d'où leur plus grande durabilité et leurs excellentes propriétés mécaniques.

En effet, en 2018, des prototypes de pile à combustible ont été assemblés et testés conformément aux essais de durabilité de l'industrie automobile. Ils ont résisté à plus de 80,000 cycles, résultats impressionnants lorsqu'on les compare à des références commerciales basées sur des membranes fabriquées avec des procédés d'enduction à partir de solution (13,000 cycles) ou en ajoutant un renfort mécanique (34,000 cycles). Les chercheurs du CNRC poursuivent activement leur travail avec leurs partenaires en vue de perfectionner le procédé avec des matériaux avancés pour les membranes échangeuses de protons, et ainsi optimiser la production pour satisfaire aux exigences des marchés commerciaux. Avec un brevet technologique déposé dans 5 pays (Canada, États‑Unis, Allemagne, Japon et Corée), ils recherchent activement des opportunités commerciales pour transférer la technologie pour une licence et / ou une collaboration en vue de pousser plus loin le développement industriel.

Une multiplication des véhicules électriques sur la route contribuera sans aucun doute à diminuer les émissions de CO2 dans le monde. Le CNRC poursuit des recherches très pointues afin de supporter l'industrie automobile à adopter les nouvelles technologies de propulsion électrique qui répondront à la demande grandissante des consommateurs pour des véhicules plus sûrs et moins dommageables pour l'environnement.

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