Catalyseurs sans platine à base de cryogels de carbone pour la réaction de réduction de l'oxygène dans les PEMFC - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Carbon cryogels as platinum free catalysts for oxygen reduction reaction in PEMFC

Catalyseurs sans platine à base de cryogels de carbone pour la réaction de réduction de l'oxygène dans les PEMFC

Résumé

Proton exchange membrane fuel cells have power densities favorable to their integration into light transport vehicles. The two electrochemical reactions involved are the reduction of oxygen at the cathode (ORR) and the oxidation of hydrogen at the anode (HOR). They both need to be catalyzed for good fuel efficiency. The technologies currently developed use platinum which is a scarce and expensive metal. Platinum-free catalysts are therefore being developed for oxygen reduction reaction because a higher loading of platinum is required at the cathode where this reaction takes place. Fe-N-C sites are considered the best candidates in substitution of platinum. The volume activities of the materials manufactured with these sites are lower than the platinum materials, they must therefore be integrated in thick layers. To meet the diffusion constraints that this geometry imposes, porous materials such as carbon cryogels are studied in this research work. Their composition and their structure can be adapted by varying several synthesis parameters. Hydrogels enriched in nitrogen and iron are synthesized by the sol-gel route before being freeze-dried and heat-treated to allow the formation of Fe-N-C active sites. The process used is low-cost and scalable and therefore relevant for the expansion of fuel cells. The study of precursors ratios, synthesis pH, iron precursors and the pyrolysis conditions will allow a better understanding of the phenomena linking structure, composition and catalytic activity. This study goes from the synthesis of materials to their integration in proton exchange membrane fuel cell. The most efficient materials are integrated into an active layer of membrane electrode assembly tested in a single cell.
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons présente des densités de puissance favorables à une intégration dans un système de transport léger. Les deux réactions électrochimiques qui s'y produisent sont la réduction de l'oxygène à la cathode (ORR) et l'oxydation de l'hydrogène à l'anode (HOR). Elles doivent toutes deux être catalysées pour obtenir un bon rendement énergétique. Les technologies actuellement développées utilisent du platine qui est un métal rare et coûteux. Des catalyseurs sans platine sont donc développés pour l'ORR car la cathode est l'électrode la plus chargée en platine. Les sites Fe-N-C sont les meilleurs candidats en remplacement des sites platinés. Les activités volumiques des matériaux fabriqués avec ces sites sont inférieures au matériaux platinés c'est pourquoi ils doivent être intégrés dans des couches épaisses. Pour répondre aux contraintes de diffusion que cette géométrie impose, des matériaux poreux comme les cryogels de carbone sont étudiés dans ces travaux de recherche. Leur composition et leur structure peuvent être adaptées par la variation de plusieurs paramètres de synthèse. Des hydrogels enrichis en azote et fer sont synthétisés par voie sol-gel avant d'être séchés par lyophilisation et traités thermiquement pour permettre la formation des sites actifs Fe-N-C par des procédés bas coût et grande échelle. L'étude des ratios de réactifs, du pH de synthèse, du type de précurseurs de fer et des conditions de pyrolyse vont permettre une meilleure compréhension des phénomènes liant structure, composition et activité catalytique. Cette étude allant de la synthèse des matériaux à leur intégration en PEMFC, les matériaux les plus performants sont intégrés dans une couche active testée en monocellule de pile à combustible.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03513064 , version 1 (05-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03513064 , version 1

Citer

Camille Roiron. Catalyseurs sans platine à base de cryogels de carbone pour la réaction de réduction de l'oxygène dans les PEMFC. Génie des procédés. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. Français. ⟨NNT : 2021GRALI082⟩. ⟨tel-03513064⟩
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