FLEXIPAC Cœur de pile à combustible flexible à collecteurs de courant intégrés Vincent FAUCHEUX – CEA Grenoble vincent.faucheux@cea.fr

Coordinateur : Vincent FAUCHEUX- CEA Grenoble Organismes de recherche : LAAS-CNRS (Toulouse) LERMPS-UTBM (Belfort)

Entreprises : IREPA LASER (Illkirch)

Projet labélisé par le(s) pôles(s) de compétitivité :

Date de démarrage : 01/01/2010 Date de fin : 31/12/12

Budget (M€) Aide (M€) Nombre de personnes.ans

1436631 714167 11

Objectifs du projet : - réalisation d’une pile à membrane auto-supportée - diminution de la masse (W/kg) & du coût des piles Défis scientifiques et techniques : - Utilisation de la membrane comme support mécanique - Dépôt de grilles métalliques, assurant à la fois la collecte des électrons et la diffusion gazeuse, par des techniques non destructives vis-à-vis de la membrane

Résultats majeurs escomptés : - Puissance de 150 mW/cm2 sur des surfaces de 5 cm2 pour un cœur de pile cationique - Identification d’un procédé de réalisation bas coût et industrialisable des collecteurs de courant

Membrane

Collecteur de courant

Couche active

Anode

Cathode Air

C œ ur de PAC vue en coupe

Combustible

Membrane

É paisseur ~ 50 µ m Membrane

Couche active Air

C œ ur de PAC vue en coupe

Collecteurs

int é gr é s

Pile souple

Support

r é duit

Connexions

des collecteurs

Membrane

Couche active Air

C œ ur de PAC vue en coupe

Combustible

Membrane

É paisseur ~ 50 µ m Membrane

Couche active Air

C œ ur de PAC vue en coupe

Collecteurs

int é gr é s

Pile souple

Support

r é duit

Connexions

des collecteurs

Programme de travail et jalons :

•T1: (100% ; validé à T0+30) Identification des procédés de réalisation et définition de l’architecture de la pile •T2: (90% ; complété à T0+30 à partir des premiers résultats) •T3: (100% au niveau du choix et du process) Réalisation de bi-couches et tri-couches à la demande •T4: (50%) -T4.2: Dépôt Au PVD + ablation laser suivant modèle -T4.3:Fabrication et dépôt de poudres (faible Tf) par PVD ou fusion globale+ ablation laser -T4.4: benchmark des techniques liées au laser+ dépôt des grilles •T5: (75%): •T6: (50%): monocellule dans chambre

T3: d é pots couches actives

Proc é d é s bas co

T2: dimensionnement collecteurs

de courant (LAAS)

T0

: co

ord

ina

tio

n (

CE

A)

T1: CdC et sp é cifications techniques (CEA)

T4: r é alisation des collecteurs de courant

T4.4

d

T4.3

fabrication poudres

T6: int

T3: d é pots couches actives

Proc é d é s bas coût

T2: dimensionnement collecteurs

de courant

T0

: co

ord

ina

tio

n

T1: CdC et spécifications techniques

T4: r é alisation des collecteurs de courant

Dépôt PVD et

ablation laser

T4.4 Dépôt localisé

assisté par laser

T4.3

fabrication poudres

et frittage laser

T5: caractérisation électrochimique

des cœurs de piles

T6: intégration des

cœurs de piles

T4.2

Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:

T2:

CdC

-Matériaux: Au; Sn 48 In 52(Tf=117°C); In 51 Sn16.5 Bi32.5 (Tf=62.5°C)

-Architecture: Dimensionnement des ≠ couches

-Microstructure des grilles (forme, dimensions/chaque technique de réalisation)

-Données d’entrée: performances (80mW/cm2), conductivités, température …

Réalisation d’un modèle (COMSOL Multiphysics)

-Détermination des architectures de grilles collectrices de courant

-Lien microstructure/performance

Définir le meilleur compromis forme de la

grille/matériau(x)/taux d’ouverture permettant

d’assurer la meilleure collecte électronique tout

en maintenant une bonne accessibilité aux gaz

Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:

T2:

à 0.6V

Avec 7.4% d’Au (épaisseur 1 mm) → des perf. de 55%

(mais < 150 mW/cm2)

Dépôt des couches actives par spray (tri-couches)

+

Dépôt Au (1 mm) par PVD

T4.2 :

Réalisation de 8 masques pour ablation Laser

(Wopen = 500x mm & Wrib= 40 x mm)

Nafion 115

Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:

T4.2 :

Wrib: 40 mm

Wopen : 500 mm

Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:

T4.3 :

Réalisation de poudres Sn 48 In 52 (Tf=117°C) & In 51 Sn16.5 Bi32.5 (Tf=62.5°C)

Dépôt sur Nafion 115 puis fusion (épaisseur: ~20 mm) idem avec C/Pt

Ablation (masque CAO)

P=15W

P dist = 40 µm

t expo = 10 µs

spot size = 70 µm

Ablation

Ablation de l’ensemble

métal-C/Pt

régularité de l’ablation =

f (ép. métal)

Travail sur des

épaisseurs

plus faibles (PVD)

Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants:

Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants: T4.4 :

Benchmark des solutions pour la réalisation de grilles :

- dépôt localisé de matériaux en fusion

(injection de poudres dans un faisceau laser focalisé)

- transfert par choc laser

-projection de matière fondue à partir

d’une feuille métallique

Membrane détruite à faible P aucun dépôt métallique

Transfert mais pas d’adhérence sur la zone active

métallisation

transfert

dépôt

Faisceau

laser

Feuille métallique

Masque

Substrat

b

a

Øspot Transfert mais dégradation de la membrane.

Laser capable d’expulser un max. de matière

en un mini. de pulse pour :

- assurer la continuité élec. des pistes

-limiter l’impact thermique sur la membrane

(laser INNOSLAB: 60mJ/4 ns)

T5/T6 : caractérisation / intégration

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 50 100 150 200 250 300 350

courant (mA/cm2)

U (

V)

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

pu

issa

nce

(m

W/c

m2)

temoin

grille

101 mW/cm2

115 mW/cm2

1 mV/sec

25°C

H2

Au : 1 mm

Wrib: 40 mm

Wopen : 500 mm

7.4% d’Au

Modèle :80 mW/cm2 → 124 mW/cm2 (+55%)

Exp : 101 mW/cm2 →

115 mW/cm2 (+14%)

Marge d’erreur

Principaux résultats atteints par le projet & Faits marquants: Résultat majeur

Conclusions :

Retombées et perspectives scientifiques et industrielles : - 1 publi & 1 brevet Micro PEM fuel cell current collector design and optimization with CFD 3D modeling I. Zahi , C. Rossi, V. Faucheux, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, Issue 22, November 2011, Pages 14562-14572 Dispositif pour piéger et évacuer l’eau dans la chambre anodique d’une pile à combustible

- technologie tout plastique en cours de transfert industriel Le projet Flexipac contribue à ↗les perf. (+14%) et ↘les coûts (-92.6% Au)

La réalisation d’une grille collectrice permet d’augmenter les performances des PEMFC tout en diminuant leur coût, reste: - A revoir la modélisation / l’expérimentation - A augmenter les performances (remplacement du Nafion 115 par le XL, augmenter les épaisseurs) - A diminuer les coûts (remplacement de l’Au & fusion)