Elaboration, characterization and optimization of PEM fuel cells cathode catalytic layers based on carbon aerogels
Élaboration, caractérisation et optimisation de couches catalytiques cathodiques de piles à combustible PEM à partir d'aérogels de carbone
Résumé
Developing new non-polluting and fossil fuel free energy converters is a big environmental, economical and political challenge that Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells could fulfil. Such systems could be widely distributed thanks to performance improvement, cost reduction (by reducing platinum quantity used) and durability increase. This thesis aims at (i) providing an answer to these problems and at (ii) enabling to study mechanisms taking place in Membrane Electrode Assembly (MEA) by using model materials like carbon aerogels as cathode catalyst supports in PEMFC. To answer to these objectives, we studied the impact of the carbon support morphology on electrochemical performances in MEA. Then, we studied the impact of the cathode catalytic layer composition on performances, we compared various platinum deposit methods and finally we studied carbon aerogel ageing in MEA tested on a single cell bench. These studies showed the influence of the carbon support architecture on performances, the positive impact of PTFE use in the cathode catalytic layer and also that the choice of the platinum deposit protocol should be established depending on performance at t=0 and during ageing tests. Finally, the carbon aerogel ageing study highlighted the progress remaining to do in term of durability.
Le développement de nouveaux convertisseurs énergétiques non polluants et non dépendants des énergies fossiles est un enjeu environnemental, économique et politique crucial auquel les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) pourraient répondre. La démocratisation de ces systèmes passe par l'amélioration de leurs performances, la réduction de leur coût lié essentiellement à l'utilisation de platine et par l'augmentation de leur durée de vie. Ce travail vise à améliorer la compréhension des mécanismes mis en jeu et à apporter une solution aux différents verrous technologiques en utilisant des matériaux modèles tels que les aérogels de carbone comme support de catalyseur dans les couches catalytiques cathodiques de piles à combustible PEM. Pour répondre à ces objectifs, l'impact de la texture du support carboné sur les performances électrochimiques en Assemblage Membrane Electrodes (AME) a été étudié. Puis nous avons analysé l'influence de la composition de la couche catalytique cathodique sur les performances, comparé différentes méthodes de dépôt de platine et enfin étudié le vieillissement des aérogels de carbone en AME sur banc monocellule. Ces études ont montré l'influence de l'architecture du support carboné sur les performances, l'impact positif de l'utilisation de PTFE dans la couche catalytique cathodique ainsi que l'intérêt de valider le protocole de dépôt de platine en fonction des performances au temps t=0 et au cours du vieillissement. Enfin, l'étude de la tenue au vieillissement des aérogels de carbone a montré que des progrès restaient à faire dans ce domaine.