Vers l'intégration de catalyseurs performants dans des électrodes de pile à combustible efficaces – BRIDGE

Une librairie de matériaux état-de l’art composée d’électrocatalyseurs d’ORR à formes contrôlées (octaèdres, cubes, particules creuses, nanofils et éponges) sera construite et les processus de synthèse seront graduellement mis à l’échelle pour atteindre les quantités requises à la préparation d’assemblages membrane-électrodes (AME). La structure et la chimie des catalyseurs ainsi que la teneur et la distribution en ionomère au sein de la couche catalytique cathodique seront déterminées à chaque étape du processus de fabrication de l’AME pour interpréter les changements de performance en conditions réelles de fonctionnement. Une « boîte à outils » dédiée au diagnostic (combinant techniques expérimentales avancées et modélisation) sera spécifiquement développée et les résultats obtenus seront utilisés pour adapter la formulation des encres nécessaires à la préparation d’AMEs optimisés. Le chargement en catalyseur, la chimie des matériaux, la teneur et la chimie du ionomère, l’utilisation d’additifs ou la composition du solvant, pourront ainsi être rigoureusement optimisés. Des stratégies innovantes permettant de diminuer les limitations liées à la faible densité de sites catalytiques (inhérentes aux particules à forme contrôlées), au mouillage souvent incomplet du catalyseur par l’ionomère et à l’accessibilité limitée de l’O2 vers les sites catalytiques seront également envisagées. Finalement, des tests de vieillissement accéléré seront effectués en conditions modèles et en conditions réelles de fonctionnement pour comprendre les différences de mécanismes de dégradation.

La mise à l'échelle des catalyseurs avancés a été réalisée avec succès pour les catalyseurs structuralement défectueux tels que les éponges. Cette étape était destinée à synthétiser des quantités suffisantes (de l'ordre du gramme) pour que les partenaires ZSW et SYMBIO fabrique les AMEs.
Un travail spécifique sur la formulation des encres pour la préparation des AMEs est effectué chez ZSW.
Le LEPMI a développé une cellule spécifique pour des mesures in-situ de diffraction des rayons X réalisées en rayonnement synchrotron à l'ESRF.Une première campagne de mesures a eu lieu et des résultats préliminaires intéressants ont été obtenus sur la librairie de matériaux mise à l'échelle au LEPMI et les AMEs issus de ces synthèses préparés par SYMBIO.
Le développement de la cellule à diffusion de gaz a été initié au LEPMI.

Des travaux sont planifiés pour la mise à l'échelle de la synthèse des octaèdres PtNi, synthèse plus délicate car utilisant des solvants et réducteurs plus toxiques que les autres synthèses. Cette synthèse pourra être soit modifiée ou complètement repensée en fonction de l'évolution.
Les résultats préliminaires de la campagne de mesures synchrotron ont montré des changements en termes de tailles de cristallites et degré d'alliage PtNi lié au strain global en comparant état initial et état final à l'issu d'un test de durabilité. Il s'agit maintenant d'accéder à l'évolution dynamique des paramètres tels que la distorsion de surface issue du microstrain qui est chronophage car elle nécessite de s'affranchir du parallaxe.
Enfin, le développement de la cellule à diffusion de gaz a permis l'obtention de résultats sur des catalyseurs commerciaux de référence. Elle va être maintenant utilisée pour caractériser la librairie de matériaux développée dans le projet BRIDGE.

1. R. Chattot, P. Bordet, I. Martens, J. Drnec, L. Dubau, F. Maillard, “Building Practical Descriptors for Defect Engineering of Electrocatalytic Materials”, invited Viewpoint Article, ACS Catal. 10 (2020) 9046-9056. DOI: 10.1021/acscatal.0c02144

2. Martens, R. Chattot, T. Wiegmann, T. Fuchs, O. M. Magnussen, L. Dubau, F. Maillard, J. Drnec, “Towards Comprehensive Understanding of Proton-Exchange Membrane Fuel Cells Using High Energy X-rays”, J. Phys. Energy (2021) invited article. DOI: 10.1088/2515-7655/abf43d

Envisager la transition énergétique à venir nécessite de repenser les transports sans émission de gaz à effet de serre. Les piles à combustible basse température (PEMFC) utilisant l’hydrogène et l’oxygène sont en première ligne des solutions pratiques émergentes sur le marché. Toutefois, pour préserver leur indépendance, l’Europe et en particulier la France et l’Allemagne doivent adopter un positionnement stratégique en termes de recherche et développement pour maintenir une compétitivité de production de ces systèmes. Le projet BRIDGE vise à identifier eet lever les verrous limitant l’intégration de catalyseurs de réduction de l’oxygène (ORR) prometteurs en conditions ‘laboratoire’ en systèmes PEMFC. Dans ce but, une librairie de matériaux état-de l’art composée d’électrocatalyseurs d’ORR à formes contrôlées (octaèdres, cubes, particules creuses, nanofils et éponges) sera construite et les processus de synthèse seront graduellement mis à l’échelle pour atteindre les quantités requises à la préparation d’assemblages membrane-électrodes (AME). La structure et la chimie des catalyseurs ainsi que la teneur et la distribution en ionomère au sein de la couche catalytique cathodique seront déterminées à chaque étape du processus de fabrication de l’AME pour interpréter les changements de performance en conditions réelles de fonctionnement. Une « boîte à outils » dédiée au diagnostic (combinant techniques expérimentales avancées et modélisation) sera spécifiquement développée et les résultats obtenus seront utilisés pour adapter la formulation des encres nécessaires à la préparation d’AMEs optimisés. Le chargement en catalyseur, la chimie des matériaux, la teneur et la chimie du ionomère, l’utilisation d’additifs ou la composition du solvant, pourront ainsi être rigoureusement optimisés. Des stratégies innovantes permettant de diminuer les limitations liées à la faible densité de sites catalytiques (inhérentes aux particules à forme contrôlées), au mouillage souvent incomplet du catalyseur par l’ionomère et à l’accessibilité limitée de l’O2 vers les sites catalytiques seront également envisagées. Finalement, des tests de vieillissement accéléré seront effectués en conditions modèles et en conditions réelles de fonctionnement pour comprendre les différences de mécanismes de dégradation. Enfin, les résultats clés de ce projet seront transférés chez Heraeus et Symbio en vue d’un développement industriel. Le programme de recherche ambitieux proposé dans le cadre du projet BRIDGE requiert les efforts d’équipes présentant une expertise et des compétences interdisciplinaires en chimie, physique, science des matériaux et ingénierie. Dans ce sens, ce projet rassemblera deux laboratoires académiques LEPMI/CNRS et ZSW ainsi que deux partenaires industriels, Heraeus et Symbio. LEPMI/CNRS fera intervenir ses compétences en synthèse d’électrocatalyseurs d’ORR et en électrocatalyse via des électrodes modèles pour appréhender les aspects fondamentaux relatifs aux changements structuraux, de composition et de morphologie se produisant pendant la mise en œuvre des AME. ZSW aura en charge l’ingénierie de ces matériaux nécessaire à l’obtention d’AME optimisés. Les deux partenaires industriels, Heraeus et Symbio sont un fabriquant de matériaux de catalyseurs et un fournisseur d’équipement automobile bien établis. L’utilisateur final, Symbio conçoit et développe une vaste gamme de systèmes PEMFC allant du kW à quelques centaines de KWs pour le véhicule électrique. Au final, le projet BRIDGE couvrira toutes les facettes de la technologie PEMFC qui est envisagée dans le domaine de la transition énergétique vers des énergies renouvelables. Ce projet est également destiné à bâtir de solides fondations pour des contributions franco-allemandes riches et ambitieuses dans le domaine de la technologie et des concepts relatifs aux électrodes de PEMFC et de leur transfert dans l’industrie européenne.