Mise en place et utilisation de méthodes électroanalytiques pour quantifier le transport des espèces chargées dans des cathodes sans platine pour PEMFC

Implementation and use of electroanalytical methods to quantify the transport of charged species in platinum-free cathodes for PEMFC

• Auteur / Autrice : Nicolas Blanchard
• Direction : Renaud Cornut, Bruno Jousselme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 07/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Laboratoire Innovation en Chimie de Surface Et Nanosciences (LICSEN)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Miomandre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Bultel, Jalal Ghilane, Jennifer Péron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Bultel, Jalal Ghilane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs sans platine

Conduction ionique

Spectroscopie d'impédance

Microscopie électrochimique à balayage

Microscopie électronique à balayage

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Piles à combustibles à membrane échangeuse de protons

Conductivité protonique et électronique

Catalyseurs sans platine

Microscopie électrochimique

Méthodes électroanalytiques

Spectroscopie d'impédance électrochimique

Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Electrochemistry conductivity

Platinum-Free catalysts

Scanning Electron Microscopy

Electroanalytical methods.

Electrochemical Impedance Spectroscopy

Résumé

La pile à combustible à membrane échangeuse de proton est une alternative intéressante à l'utilisation des énergies fossiles au quotidien étant donné qu'elle permet de produire de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène en ne rejetant que de l'eau. Son utilisation actuelle est cependant limitée, en raison notamment du coût économique et environnemental important de l'un de ses éléments clé : le platine. Ce métal, présent dans les couches catalytiques, sert de catalyseur aux réactions électrochimiques fondamentales permettant le fonctionnement de la pile à combustible. A l'heure actuelle, les catalyseurs de remplacement les plus prometteurs ne permettent pas d'obtenir les mêmes performances à quantité massiques égales, c'est pourquoi une plus grande quantité est ajoutée dans les couches catalytiques. Cependant, l'augmentation de masse de la couche entraîne une augmentation de son épaisseur, ce qui induit des pertes de tension d'origine ohmique. L'objectif premier de la thèse a été de mettre en place des méthodes de quantification du transport des espèces chargées dans les couches catalytiques sans platine. Le transport électronique a été étudié principalement à l'aide de deux méthodes : la méthode à 4 pointes fonctionnant en voie sèche et une méthode par microscopie électrochimique, fonctionnant en voie humide et encore jamais appliquée aux électrodes poreuses pour la mesure de conductivité électrique. Le transport des protons a, quant à lui, été étudié en dispositif de pile sous azote ou sous oxygène à la cathode à l'aide de la spectroscopie d'impédance électrochimique. Après la mise en place des méthodes d'études, les conditions de mise en forme de la couche catalytique ont été modifiées afin de discuter des liens existants entre sa structure, le transport des espèces chargées et les performances finales obtenues en pile.

The proton exchange membrane fuel cell is an interesting alternative to the daily use of fossil fuels given that it makes it possible to produce electricity from hydrogen and oxygen by only releasing water. However, its current use is limited, due in particular to the significant economic and environmental cost of one of its key elements : platinum. This metal, present in the catalytic layers, serves as a catalyst for the fundamental electrochemical reactions allowing the operation of the fuel cell. At the present time, the most promising replacement catalysts do not lead to the same performances with equal mass quantities, which is why a greater quantity is added in the catalytic layers. However, the increase in mass of the layer leads to an increase in its thickness, which induces voltage losses of ohmic origins. The primary objective of the thesis was to set up methods for quantifying the transport of charged species in platinum-free catalytic layers. Electron transport has been studied mainly using two methods: the dry-activated 4-point method and a wet-activated electrochemical microscopy method never applied before to porous electrodes. The transport of protons has been studied in a battery device under nitrogen or under oxygen at the cathode using electrochemical impedance spectroscopy. After setting up the study methods, the conditions for shaping the catalytic layer were modified in order to discuss the links between its structure, the transport of charged species and the final performance obtained in the fuel cell.