Synthèse, caractérisation et mise en forme d'électrodes nanocomposites platine / carbure de tungstène pour les piles à combustibles à membrane haute température

nanocomposite electrodes for proton exchange membrane fuel cell at high temperature

• Auteur / Autrice : Julien Bernard D'arbigny
• Direction : Jacques Rozière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/09/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Rozière, Thierry Brousse, Francisco Alcaide, Deborah Jacqueline Jones, Gilles Taillades, Mathieu Marrony, Philippe Stevens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Brousse, Francisco Alcaide

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes échangeuses d'ions

Membranes (technologie)

Polymères

Piles à combustible

Électrodes

Carbure de tungstène

Mots clés libres

Carbure de tungstène

Électrode

Polybenzimidazole

Assemblage membrane électrode

Pile à combustible à membrane haute température

Tungsten carbide

Electrode

Polybenzimidazole

Membrane electrode assembly

High temperature PEMFC

Résumé

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte des efforts de recherches menés pour proposer des matériaux susceptibles de lever les verrous technologiques au développement des piles à combustible à membrane. L'un de ces enjeux est l'augmentation de la température de fonctionnement (150 - 250 °C) afin d'améliorer les cinétiques réactionnelles permettant une diminution de la quantité de catalyseur ainsi qu'une simplification de la gestion de l'eau, une réduction du système de refroidissement et une meilleure résistance à l'empoisonnement au monoxyde de carbone du platine. La motivation de cette étude a été de substituer au carbone un matériau support de catalyseur avec une plus grande résistance électrochimique.Notre choix s'est porté sur le carbure de tungstène qui, en plus d'une conductivité électronique élevée, présente une activité catalytique pour l'oxydation de l'hydrogène et la réduction de l'oxygène en milieu acide. La mise au point d'une méthode de synthèse innovante par voie hydrothermale a permis l'élaboration de microsphères de carbure de tungstène (MCT) de surface spécifique élevée (68 m2.g-1 avec 4 % de carbone résiduel) et d'architecture inusuelle. Des nanoparticules de platine de taille contrôlée ont été préparées par méthode polyol afin d'être déposées en surface des MCT. Après caractérisations électrochimiques ex-situ couplées à des analyses de surface (XPS) de ces catalyseurs Pt/WC, la mise en forme d'électrodes par enduction et transfert sur la membrane a permis la réalisation d'assemblages membrane - électrode et leurs caractérisations en pile à combustible. Des membranes polybenzimidazole dopé acide phosphorique (PBI-H3PO4) ont été utilisées pour remplacer les membranes Nafion afin d'augmenter la température de fonctionnement.

The objective of this work was to develop alternative suitable materials to increase operating temperature of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell. The increase of the operating temperature (150 - 250 °C) is attractive for cost reduction and reliability in terms of reaction kinetics, catalyst tolerance, heat rejection and water management. Our work was focused on tungsten carbide which has an high electrical conductivity and exhibits a significant catalytic activity for hydrogen oxidation and oxygen reduction in acidic environment. We have reported a novel approach to produce tungsten carbide microspheres (TCM) with an high surface area (68 m2.g-1 including only 4 % of residual carbon) and an unusual architecture. Platinum nanoparticles were prepared by polyol method and were then deposited on TCM. Physical, chemical as well as electrochemical characterisations of WC supported platinum nanoparticles Pt/WC are described and discussed in comparison with a platinum electrocatalyst on a commercial carbon support (Vulcan XC-72R). Membrane Electrode Assembly was then prepared by coating - decal process, and characterised by single cell test and compared to conventional Pt/C assembly. Phosphoric acid doped polybenzimidazole PBI(H3PO4) was used as electrolyte to replace Nafion membrane in order to carry out fuel cell testing at higher temperature.