Etude d'optimisation des électrodes des piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Abstract

La fin du siècle précédent a été marquée par les problèmes croissants de réchauffement de la planète par effet de serre et de la pollution atmosphérique. Ainsi, les nouvelles politiques de protection de l’environnement encouragent les sujets de recherches pour le développement des sources d’énergies propres et renouvelables telles que la pile à combustible. L’objectif de ce travail est d’améliorer les performances de la pile à combustible H₂-O₂ (air) à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Ceci passe par la mise au point d’électrodes de puissance devant éviter toute limitation due à l’apport des espèces réactives (gaz réactif, protons) et aux phénomènes interfaciaux, et assurer une bonne collecte des charges avec des matériaux compatibles dans le milieu considéré (acide). Dans ce but, nous avons étudié un modèle représentatif de la structure de la couche active, celle-ci étant le siège des phénomènes électrochimiques ayant lieu au cours du fonctionnement de l’électrode poreuse. Cette étude nous a permis de tirer des conclusions très utiles au perfectionnement de la méthode de leur fabrication. La liaison entre le catalyseur dispersé et la membrane est assurée par un film polymère conducteur protonique. L’efficacité de ce type de pile est liée essentiellement au mode de transport des espèces et des charges dans un domaine oû coexistent le film d’électrolyte polymère, le catalyseur et le gaz réactif. Par ailleurs, nous avons pu estimer, à partir des données sur la structure du noir de carbone platinée utilisé dans la fabrication des électrodes ; que seul 10% de la quantité totale de platine peut être accessible à la fois aux protons et aux gaz réactifs. En outre, nous avons pu montrer que l’épaisseur de la couche réellement active optimale de l’électrode pouvait être de 10 µm et impliquerait une quantité de platine d’environ 0,19 mg cm⁻², si tous les pores étaient bouclés par le Nafion ®. En revanche, on peut améliorer ces performances si on réussit à fabriquer des électrodes avec une macroporosité non bouchée, tapissée par un film de Nafion ® continu sur une couche active d’épaisseur plus grande. Aussi, une électrode ayant une couche active d’épaisseur 50 µm, peur débiter une densité de courant d’environ 0,6 A cm⁻² pour une polarisation de l’électrode à oxygène de 0,42 V. il est donc possible d’affirmer que l’on peut diminuer la quantité de platine dans les électrodes de puissance tout en conservant les mêmes performances électrochimiques.