Crystec Technology Trading GmbH

1. Presse à chaud sous vide pour un meilleur contrôle de l'adhésif et une plus grande efficacité : De grandes feuilles découpées et le laminage sous vide assurent un meilleur contact des couches et peuvent offrir jusqu'à environ 13 % d'efficacité en plus par rapport au R2R dans certaines applications. Le R2R ne peut généralement pas maintenir le vide sur l'ensemble du chemin de laminage.
2. Alignement précis et répartition uniforme de la chaleur : Les systèmes Vision Align assistés par caméra et la presse sous vide garantissent un positionnement, une température et une distribution de pression cohérents, minimisant les défauts.
3. Élimination des bulles d'air dans le GDL : Le laminage S2S permet un meilleur dégazage et donc des couches de diffusion de gaz (GDL) de meilleure qualité.
4. Conception compacte et économique : Le laminage sous vide réduit les systèmes à rouleaux mécaniques et peut être plus compact et économique à l'achat et à l'exploitation.
5. Polyvalence et adaptabilité : Le S2S est plus flexible en termes de formats, de combinaisons de matériaux et de configurations personnalisées — idéal pour les applications automobiles et stationnaires.

Dans la fabrication de piles à combustible, le procédé de laminage joue un rôle déterminant sur la performance finale et l'efficacité de la pile. Traditionnellement, le procédé "decal" a été utilisé. Dans une procédure en plusieurs étapes, deux sous‑joints, le matériau électrode deux fois (tissu carboné) avec une couche de catalyseur (platine) et la membrane polymère (Nafion®) sont appliqués. Nafion® est un polymère sulfoné de tétrafluoroéthylène développé à la fin des années 1960 et ensuite perfeccionné par Walther Grot comme modification du Téflon®. Ce procédé nécessite au moins trois étapes machines et processus. Il s'agit d'une méthode de presse à chaud avec rouleaux qui permet un traitement continu en atmosphère. Malgré ses avantages, le procédé decal présente des limites, en particulier en ce qui concerne l'uniformité et le contrôle du laminage. La presse mécanique utilisée dans le decal peut introduire des irrégularités de pression et de température à travers la pile, affectant les performances globales.
La presse à chaud sous vide Shindo se distingue ici comme une alternative révolutionnaire et offre des avantages significatifs par rapport au procédé decal. Avec la presse à chaud sous vide, le processus de laminage est optimisé et ne nécessite qu'une seule machine et une seule étape de procédé. Cela réduit le temps de production et la complexité, rendant le procédé plus efficace pour les fabricants de piles à combustible.
L'avantage principal de la presse à chaud sous vide réside dans sa capacité à effectuer l'opération de presse à chaud en condition de vide. Cette condition sous vide contrôlée assure une meilleure uniformité pendant tout le processus de laminage. L'absence de fluctuations de la pression atmosphérique, comme dans le procédé decal, permet une application constante et précise de la pression et de la chaleur sur la pile, ce qui améliore les performances globales et la durabilité.

Nafion® est une marque déposée de The Chemours Company FC, LLC

1. Technologie de pressage de membrane à la pointe : Les machines Shindo intègrent diverses technologies brevetées, la technologie de pressage de membrane étant particulièrement remarquable. Cette technologie avancée permet la production de membranes ultra‑fines de 10 µm, améliorant significativement les performances et l'efficacité des piles. Réduire l'épaisseur depuis 20 µm diminue la résistance électrique et optimise la diffusion des gaz, ce qui renforce les performances de la cellule.
2. Tests techniques et support : Shindo fournit des essais de procédé et de matériaux ainsi qu'un support client après livraison pour garantir que les clients obtiennent les machines et les procédés les mieux adaptés à leurs applications spécifiques. Cette approche sur mesure renforce la confiance et soutient la réussite des projets de production de piles à combustible.
3. Service à des clients divers : Les machines Shindo servent deux principaux groupes de clients : les constructeurs automobiles recherchant des empilements pour véhicules électriques, et les entreprises productrices d'hydrogène qui ont besoin de production d'énergie sur site, par exemple des parcs éoliens en zones isolées, y compris en mer.
4. Excellente uniformité grâce au pressage de la membrane : Le procédé S2S des machines Shindo offre une uniformité exceptionnelle de la pression et de la température et surpasse généralement ce qui peut être atteint avec les procédés R2R. Cette uniformité est essentielle pour fabriquer des piles à combustible aux performances constantes et fiables.

Le laminage sheet‑to‑sheet s'est avéré être une technologie révolutionnaire dans la fabrication des piles à combustible et offre des avantages inégalés par rapport aux procédés roll‑to‑roll. Les machines Shindo, grâce à leurs innovations majeures et leur exigence d'excellence technique, conduisent cette transformation. Par un contrôle précis de l'adhésif, un alignement supérieur, l'élimination des poches d'air et une adaptabilité rentable, les machines Shindo ont révolutionné la production de piles à combustible. À mesure que le monde évolue vers des solutions énergétiques durables, l'avenir de la technologie des piles à combustible s'annonce prometteur, porté par les machines Shindo et leur engagement à optimiser l'efficacité et les performances des piles.

Ci‑dessous, nous présentons un aperçu des principes de fonctionnement des différents types de piles à combustible et de la fabrication des cellules PEMFC. Les piles à combustible sont des éléments galvaniques qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique par un processus électrochimique réversible. Un combustible fourni en continu réagit avec un oxydant. Comme le vecteur d'énergie n'est pas stocké dans la pile, la capacité et la puissance peuvent être mises à l'échelle indépendamment. Les réactions rédox ont lieu spatialement séparées à l'anode et à la cathode et peuvent ainsi être converties en énergie électrique plutôt qu'en énergie thermique. Les réactifs les plus couramment utilisés sont l'hydrogène (H₂) et l'oxygène (O₂) ; leurs réactions sous‑jacentes sont présentées ci‑dessous. Ces réactions rédox peuvent être catalysées en milieu acide ou basique.

Réactions de base (acide / alcaline)

Dans les deux cas, catalysés en milieu acide ou alcalin, le gaz hydrogène (H₂) à l'anode est converti avec libération d'électrons. En milieu acide, des ions hydronium (H₃O⁺) sont formés, tandis qu'en milieu alcalin des ions hydroxyde (OH^-) sont formés et convertis en eau (H₂O). À la cathode, l'oxygène (O₂) est converti en eau (H₂O) (catalyse acide) ou en ions hydroxyde (OH^-) (catalyse alcaline). Ainsi, pour la réaction rédox globale dans les deux systèmes catalytiques, l'hydrogène et l'oxygène se combinent pour former de l'eau.

Bien que l'hydrogène et l'oxygène soient la combinaison la plus courante dans les piles à combustible, d'autres vecteurs d'hydrogène tels que le méthanol (CH₃OH), le butane (C₄H₁₀) ou le gaz naturel (>75% de méthane) peuvent également être utilisés comme combustibles. L'hydrogène est souvent stocké chimiquement sous forme d'ammoniac (NH₃) et peut être dissocié thermiquement sur place dans un générateur d'hydrogène. Le générateur H₂ (ammonia cracker) décompose l'ammoniac en hydrogène et azote selon l'équation suivante :

2 NH₃ → H₂ + 3 N₂

Selon le type de pile, l'azote peut devoir être séparé dans un processus distinct.

Une pile à combustible se compose généralement de deux électrodes revêtues de catalyseur et d'un électrolyte (conducteur d'ions). Les électrodes sont principalement des systèmes à base de métal ou de carbone avec une grande surface (par ex. feutre de carbone). Des catalyseurs tels que le ruthénium ou le platine sont utilisés. L'électrolyte sert à séparer spatialement les réactifs tout en permettant le transport de charge entre les électrodes. Des électrolytes liquides et solides sont possibles.

L'oxydation spatialement séparée d'un combustible contenant de l'hydrogène peut être réalisée de différentes manières. Les types de piles se distinguent principalement par la température de fonctionnement, les électrolytes utilisés et les combustibles fournis ainsi que par les réactions rédox correspondantes. Les piles à basse température (LT‑FC) fonctionnent à des températures allant jusqu'à environ 200 °C, tandis que les piles à haute température (HT‑FC) commencent vers 700 °C. En raison de la température, les piles à basse température nécessitent généralement des catalyseurs à base de métaux du groupe du platine et sont sensibles aux impuretés telles que le monoxyde de carbone. Les piles à haute température peuvent souvent utiliser des catalyseurs moins chers tels que le nickel et atteignent généralement des rendements plus élevés. De plus, les piles se distinguent par les électrolytes utilisés. Ceux‑ci incluent des membranes polymères conductrices de protons (par ex. PEMFC), des électrolytes aqueux alcalins (par ex. AFC), des électrolytes aqueux acides (PAFC), des électrolytes à base de liquides ioniques (pile à combustible à carbonate fondu — MCFC) et des électrolytes solides (par ex. SOFC en céramique d'oxyde).
Les types de piles les plus courants sont listés dans le tableau ci‑dessous avec leurs propriétés.

Les deux types de piles les plus prometteurs aujourd'hui sont la pile à membrane polymère et la pile à oxyde solide.

La pile à membrane polymère (PEMFC), également appelée pile à hydrogène à membrane échangeuse de protons, fonctionne généralement à 10–100 °C (PEMFC basse température) ou 130–200 °C (PEMFC haute température), selon la membrane électrolyte utilisée. Les deux variantes peuvent atteindre des rendements d'environ 60 % avec de l'hydrogène pur (environ 48 % avec du gaz naturel comme combustible). À la cathode, comme décrit dans le principe de fonctionnement pour un électrolyte acide, l'hydrogène (ou une source d'hydrogène telle qu'un hydrocarbure) est oxydé à l'anode et l'oxygène de l'air est réduit à la cathode. L'alimentation continue en eau vers l'anode est assurée par la contre‑diffusion à travers la membrane et par l'humidification des réactifs.

PEMFC basse température

Les PEMFC basse température utilisent souvent une membrane Nafion^®, un polymère sulfoné de tétrafluoroéthylène. Lorsqu'elle est hydratée, la membrane devient conductrice en protons. La conductivité augmente avec la teneur en eau. La membrane est revêtue des deux côtés d'une électrode poreuse (généralement à base de carbone) contenant un catalyseur, souvent du platine ou des alliages tels que platine‑ruthénium, platine‑nickel ou platine‑cobalt. Il faut veiller à ce que le monoxyde de carbone (CO), qui peut apparaître comme sous‑produit lors de la production d'hydrogène à partir de sources fossiles, n'entre pas dans la pile. Même des concentrations de CO de l'ordre de 10 ppm peuvent empoisonner le catalyseur et perturber la réaction. Le CO se lie fortement aux sites actifs catalytiques à la surface de la membrane. Le CO peut être éliminé en purgeant la pile avec un gaz inerte ou de l'hydrogène pur. Un fort taux de CO est évité par des réactions de décalage et une oxydation sélective du CO.
Dans la réaction de décalage, le CO peut être converti en CO₂ et en hydrogène en ajoutant de la vapeur d'eau selon une réaction réversible :
CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂
L'équilibre se déplace vers les produits avec l'augmentation de la température.
Les composés soufrés et l'ammoniac présents dans le gaz combustible sont également des poisons pour le catalyseur et doivent être maintenus à de faibles teneurs en ppm autant que possible.

PEMFC haute température

Les PEMFC haute température utilisent généralement une membrane en polybenzimidazole (PBI). L'acide phosphorique est introduit dans la matrice PBI pour fournir la conductivité protonique. Le dopage par l'eau, tel que dans les PEMFC basse température, n'est pas nécessaire. À 130–200 °C, les réactions sont moins sensibles au CO car le CO se désorbe plus facilement à des températures plus élevées, libérant les sites catalytiques actifs.

Avantages des PEMFC

• Très bon comportement au démarrage à froid
• Longévité (> 10 ans)
• Empilables en stacks
• Haute densité de courant
• Bonne réponse dynamique
• Faible température de fonctionnement (PEMFC NT)
• Électrolyte solide (pas de risque de fuite de liquide)
• Électrolyte résistant au CO₂

Inconvénients des PEMFC

• Sensibilité aux impuretés du combustible (CO, NH₃, composés soufrés)
• Nettoyage du gaz naturel reformé nécessaire
• Catalyseur coûteux

État de développement des PEMFC

Actuellement, des voitures de série initiales (voitures, camions et bus), des petits systèmes et des unités CHP fonctionnent avec des PEMFC. Il existe également des applications pour le remplacement de batteries et l'électronique (par ex. alimentation de secours pour ordinateurs portables). Des applications spatiales et militaires sont également en développement. Les puissances vont de 5 à 250 kW.

La pile à oxyde solide (SOFC) fonctionne à des températures de 650–1000 °C et appartient donc aux piles à haute température. La caractéristique de la technologie SOFC est l'électrolyte céramique d'oxyde solide. Le matériau le plus courant est la zircone stabilisée à l'yttrium (YSZ). En alternative, la gallate de lanthane dopée (LSGM) ou la céria dopée au gadolinium (CGO) peuvent être utilisées. Des rendements allant jusqu'à environ 70 % peuvent être atteints.
L'électrolyte, cœur de la pile, peut être produit sous forme de tube ou de membrane plane et est réalisé aussi mince que possible pour permettre un transport d'ions oxygène à faible cout énergétique. Les matériaux de cathode peuvent être des pérovskites conductrices électroniquement à base de manganèse, par ex. La_0.8Sr_0.2MnO₃ (LSM). Ceux‑ci sont stables avec un faible vieillissement mais sont sensibles à la "poisoning" par le chrome libéré des composants en acier inoxydable qui relient les stacks, ce qui peut réduire significativement la durée de vie. Les matériaux d'anode sont typiquement des composites nickel‑YSZ (Ni‑YSZ).

Avantages des SOFC

• Coût d'investissement plus faible (pas de catalyseurs coûteux)
• Peut utiliser du gaz naturel ou du méthane en plus de l'hydrogène
• Grande tolérance aux impuretés du combustible
• Haute efficacité
• Pas de gestion d'électrolyte requise
• Pas de corrosion des électrodes
• Électrolyte solide (pas de fuites de liquide)
• Électrolyte résistant au CO₂

Inconvénients des SOFC

• Long temps de démarrage dû aux hautes températures
• Les hautes températures exigent des matériaux résistants à la température
• Fortes contraintes mécaniques et thermiques

État de développement des SOFC

Des prototypes expérimentaux d'unités de bloc de centrale pour la production d'électricité stationnaire existent déjà, avec des puissances jusqu'à environ 250 kW.