Molecules électroactives pour pile à combustible redox régénérable chimiquement – ELMOROX

Afin de résoudre le problème du réchauffement climatique, il est nécessaire de développer des alternatives aux systèmes actuels utilisant la combustion d’énergie fossile. L’une des solutions les plus prometteuses est la pile à combustibles à membrane échangeuse de protons car elle convertit une énergie chimique en énergie électrique sans production de gaz à effet de serre seulement de l’eau et de la chaleur. Cependant 2 verrous majeurs sont à lever afin d’observer une utilisation de masse de ce type de dispositif : le cout et la stabilité. Les domaines d’application de ces systèmes sont l’industrie automobile et le stationnaire.
L’objectif du programme ELMOROX propose de tenter de résoudre ces problèmes. Pour cela, l’étude porte sur la réalisation d’une pile à combustible non conventionnelle présentant un flux redox à la cathode. L'objectif est de produire de l'électricité sur une longue durée grâce à la régénération du médiateur redox liquide à la cathode en présence de dioxygène. Le dihydrogène est oxydé à la cathode tandis que la molécule redox en solution est réduite à la cathode sans utilisation de catalyseur. Le médiateur redox réduit est régénéré par un bullage de dioxygène dans un compartiment (régénérateur) en dehors de la cellule. La réduction du médiateur rédox ne nécessite pas l’utilisation de catalyseur à base de métaux nobles et permet donc de réduire le cout. De plus, la réaction entre l’oxygène et le médiateur rédox se produisant en dehors de la pile à combustible les espèces radicalaires réactives pouvant se produire lors de cette réaction ne réagira pas avec la membrane permettant d’augmenter la durée de vie du dispositif.
L’étude portera sur l’amélioration de la régénération chimique à la cathode. Le projet se déroulera selon 4 axes de travail. Le premier axe porte sur la recherche de la sonde redox dissoute dans le catholyte. Suite à ce screening, les molécules seront modifiées afin de satisfaire aux critères spécifiques de ce dispositif (volumineuses, régénération chimique rapide par le dioxygène, potentiel redox > 0,6 V vs. ESH,…). Le second axe s’intéresse à la synthèse de catalyseur à base de métaux non noble afin d’améliorer la cinétique de réaction entre le dioxygène et la sonde redox à l’état réduit dans le régénérateur. Le troisième axe consiste en la mise en place du banc de pile spécifique à cette technologie notamment afin de travailler avec un gaz à l’anode et dans le régénérateur et d’un flux liquide à la cathode. Enfin le dernier axe porte sur l’étude des performances et de la stabilité de la pile en prenant en compte les différentes améliorations obtenues lors des autres axes de travail. En terme de performances, l’objectif est de délivrer des densités de puissances supérieures à 500 mWcm-2 @ 0,6 V pendant une durée supérieure à 500h. L’objectif ne se restreint pas seulement à obtenir des densités de puissances élevées mais également d’obtenir puissances stables traduisant une régénération efficace dans le régénérateur. L’objectif est également de définir les différents paramètres cruciaux pour le développement de ce type de pile.
Le programme ELMOROX a pour but d’améliorer le développement à grande échelle des piles à combustibles à membrane échangeuse de protons en étudiant une nouvelle configuration permettant de réduire le cout de fabrication et d’augmenter la stabilité au cours du temps.