Performance et durabilité des piles à combustible basse température à faible chargement en platine

Performance and durability of Low-Platinum Electrocatalysts for low- temperature fuel cells

• Auteur / Autrice : William Aït Idir
• Direction : Olivier Lottin, Julia Mainka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 15/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Marian Chatenet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Lottin, Julia Mainka, Yann Bultel, Yann Meyer, Daniela Chrenko, Mélanie Francois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yann Bultel, Yann Meyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transition énergétique

Durée de vie (ingénierie)

Catalyseurs au platine

Hydrogène

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Hydrogène

Pile à combustible

Énergie

Durabilité

Hydrogen

Fuel Cell

Energy

Durability

Résumé

La pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) est l'une des technologies les plus prometteuses pour la transition énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le domaine des transports lourds. L'un des freins à sa commercialisation réside dans l'utilisation du platine comme catalyseur au sein des électrodes. Le platine est un métal onéreux et présent en quantité limité sur la planète, ce qui restreint le développement de cette technologie. De ce fait, ce travail se concentre sur l'étude des performances et de la durabilité d'électrodes à faible chargement en platine. Différentes caractérisations furent réalisées pour examiner l'impact en termes de performances et de durabilité d'un faible chargement en Pt à la cathode. Une première étude sur la couche limitant le transport de l'oxygène dans une PEMFC est réalisée à l'aide de la technique de spectroscopie d'impédance électrochimique. Pour cela, différents assemblages membrane électrodes (AME) furent caractérisés. Les différences entre les AME proviennent soit du chargement en Pt à la cathode, de la membrane, de la couche de diffusion des gaz (GDL) ou/et de la surface et de la géométrie des plaques bipolaires. On en conclut que la GDL est la couche qui limite le plus le transport de l'oxygène ; cependant, réduire le contenu en platine des électrodes se traduit par une augmentation de la résistance haute fréquence qui pourrait provenir de la diffusion de l'oxygène à travers le film de ionomère. Une cartographie des performances puis un protocole de vieillissement accéléré (AST) furent également réalisés avec les différents AME testés. La cartographie a pour objectif de déterminer les conditions opératoires donnant les meilleures performances (courbes de polarisation). L'AST quant à lui permet d'évaluer la durabilité des AME à l'aide d'un protocole de cyclage en potentiel et en humidité induit par des variations de courant. Un suivi des dégradations des performances est réalisé pour quantifier cette durabilité. Pour cela, les tests réalisés entre chaque étape d'AST consistent en la mesure des courbes de polarisation, la mesure de la tension durant un fonctionnement de 1h à 1 A/cm², la mesure du courant de perméation de l'hydrogène et celle de la surface active électrochimique des deux électrodes. Il a été observé sur quatre chargements en Pt différent à la cathode, une corrélation entre le chargement et les dégradations subies par l'AME. Lorsque le chargement en Pt diminue, les dégradations sont plus importantes, l'AME est moins performant et moins durable.

The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is one of the most promising technologies for the energy transition and the reduction of greenhouse gas emissions in heavy-duty transport. One of the obstacles to its commercialization lies in the use of platinum as a catalyst in the electrodes: platinum is both expensive and present in limited quantities on the planet. As a result, this work focuses on studying the performance and durability of low-platinum-loaded electrodes. Various characterizations were carried out to examine the impact in terms of performance and durability of low Pt loading at the cathode. An initial study of the layer limiting oxygen transport in a PEMFC was carried out using electrochemical impedance spectroscopy. Different membrane electrode assemblies (MEA) were characterized. The differences between the MEA are due either to Pt loading at the cathode, the membrane, the gas diffusion layers (GDL) and/or the flow field plate geometry and area. It was concluded that the GDL is the layer contributing the most to oxygen transport limitations; however, decreasing the platinum content of the electrodes results in an increase in the high-frequency resistance, which could be due to oxygen diffusion through the ionomer film. Performance mapping and an accelerated stress test (AST) were also carried out with the various MEA tested. The aim of performance mapping is to determine the operating conditions giving the best performance (polarization curve). AST is used to evaluate the durability of MEA using a potential and current-induced humidity cycling protocol. Performance degradation is monitored to quantify durability. To this purpose, the tests carried out between each AST step consist in measuring polarization curves, voltage during 1h operation at 1 A/cm², hydrogen permeation current and electrochemical active surface of both electrodes. Over four different Pt loadings at the cathode, a correlation was observed between loading and MEA degradation. As Pt loading decreases, degradation becomes more pronounced, and the MEA is less efficient and less durable.