Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (ＰＥＭＦＣ) constituent une technologie énergétique durable et hautement efficace. L’assemblage membrane‐électrode (ＭＥＡ), en tant que composant central, détermine les performances globales de la batterie, tandis que la membrane échangeuse de protons (ＰＥＭ) joue un rôle crucial dans la conduction des protons, la séparation des gaz et l’efficacité. La fabrication actuelle des ＰＥＭ repose principalement sur des méthodes de coulage en solution, qui souffrent de problèmes tels qu’une épaisseur inégale et une difficulté à contrôler la microstructure. Bien que des techniques de modification des polymères aient été explorées, les performances et la stabilité à long terme dans les applications pratiques doivent encore être améliorées. Les ＰＥＭＦＣ haute température (ＨＴ‐ＰＥＭＦＣ), fonctionnant à des températures élevées (１２０ °Ｃ – ２００ °Ｃ), offrent des avantages tels que l’absence de gestion complexe de l’eau, la tolérance au combustible hydrogène impur et la capacité à intégrer la chaleur perdue, ce qui en fait un choix idéal pour les applications énergétiques. Cependant, un problème clé des ＰＥＭ dopées à l’acide phosphorique (ＰＡ) est la lixiviation du ＰＡ, qui entraîne une dégradation de la couche catalytique et une efficacité réduite.
Récemment, une équipe de l’University College London a développé un système de membrane à nanofibres avec des améliorations structurelles et interfaciales synergiques. Leurs résultats ont été publiés dans Science Advances (ＩＦ＝１２,５, citation : Sci. Adv. 11, eadw5747 (2025)) sous le titre « Nanofiber membranes for enhanced performance and optimization of proton exchange membrane fuel cells. » Grâce à l’ingénierie de la structure et de la surface des nanofibres, l’équipe a équilibré la conductivité protonique, la résistance mécanique et les performances électrochimiques de la membrane. Notamment, la membrane à nanofibres à structure sandwich (ＳＳＮＦＭ) a démontré des performances exceptionnelles, atteignant une densité de puissance maximale de 942 mＷ cm⁻² après 100 heures de test de stress accéléré, dépassant significativement les 520 mＷ cm⁻² des membranes commerciales conventionnelles. La caractérisation électrochimique a révélé une conductivité protonique de 40,4 mＳ cm⁻¹, supérieure aux 17,5 mＳ cm⁻¹ des membranes commerciales.
L’étude a employé des méthodes analytiques multi‐échelles, incluant la tomographie aux rayons Ｘ et des simulations multiphasiques, pour révéler les améliorations des performances de la membrane, la stabilité de la couche catalytique et la formation de la frontière triphasée facilitée par la membrane à nanofibres, favorisant ainsi un transport efficace des charges et de la masse. L'équipe a également procédé à des évaluations électrochimiques des assemblages membrane-électrode (AME) en nanofibres de PBI poreuses modifiées en surface et en SSNFM (à 160 °C, anode : H₂ 100 ml·min⁻¹, cathode : O₂ 100 ml·min⁻¹), qui ont montré d'excellentes performances en termes de variation de tension en circuit ouvert (TCO), de courbes de polarisation et de stabilité lors des tests de vieillissement accéléré (AST). La stratégie de conception membranaire proposée dans cette étude offre une solution importante pour améliorer les performances des piles à combustible dans les applications d'énergie durable.
