Le cœur de pile des PEMFC

Comme nous l‘avons vu précédemment (cf. I.1.1), une pile à combustible est constituée de deux électrodes (l‘anode et la cathode) séparées par un électrolyte. Dans le cas de la pile à combustible PEM, l‘électrolyte est une membrane polymérique échangeuse de protons. Chaque électrode est constituée généralement de deux couches : la couche catalytique et la couche de diffusion (Gas Diffusion Layer ou GDL). L‘assemblage de ces éléments (Figure 6) constitue le cœur de pile et est appelé Assemblage Membrane Electrodes (ou AME). Une pile à combustible de type PEM (ou stack) est un système complexe (Figure 7) qui nécessite l‘assemblage de plusieurs éléments pour pouvoir fournir des tensions supérieures à 1 V : des AME (Membrane Electrode Assembly), des joints (seal), des plaques bipolaires (flow field plate) qui permettent entre autres (cf. I.2.3) la circulation des gaz, deux plaques terminales (end-plate) aux extrémités du stack et éventuellement des plaques de refroidissement (cooling plate) si cette fonction n‘est pas assurée par les plaques bipolaires. Le nombre et la surface des cellules électrochimiques déterminent la puissance de la pile. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons particulièrement à la couche catalytique cathodique car elle représente une part importante du coût de la pile (du fait de la charge en platine plus importante qu‘à l‘anode) et constitue donc l‘élément nécessitant le plus d‘améliorations. Néanmoins, étant donné que les performances de ces couches catalytiques cathodiques seront évaluées en monocellule, nous allons présenter les différents éléments d‘une monocellule : les électrodes, la membrane, les plaques qui acheminent les gaz (unipolaire dans le cas d‘une monocellule) et les joints.

Les électrodes

Les électrodes de pile PEM sont constituées d‘une couche catalytique et d‘une couche de diffusion. La couche catalytique est le lieu des réactions électrochimiques et contient un catalyseur (généralement du platine) responsable pour une large part du coût global de la pile. La couche de diffusion permet quant à elle (entre autres rôles) la diffusion des gaz à la surface de l‘électrode. Bien que le même type de matériaux soit utilisé à l‘anode et à la cathode, il est nécessaire de distinguer ces deux électrodes. En effet, la réaction d‘oxydation de l‘hydrogène est beaucoup plus rapide que la réaction de réduction de l‘oxygène. Par conséquent, une plus grande quantité de catalyseur est nécessaire à la cathode. D‘après Gasteiger et al. [27], il est possible de diminuer la charge en platine à l‘anode jusqu‘à 0.05 mg/cm² sans affecter les performances alors qu‘il n‘est pas possible à l‘heure actuelle d‘abaisser la charge en platine à la cathode en dessous de 0.4 mg/cm² sans affecter les performances. Par conséquent, les efforts de recherche se concentrent sur la couche catalytique cathodique afin de diminuer la charge nécessaire en platine. Ainsi les couches catalytiques que nous réaliserons à partir d‘aérogels de carbone seront utilisées à la cathode d‘AME.

Les noirs de carbone sont actuellement les supports de catalyseur les plus utilisés (cf. I.3.3). Ils sont constitués de particules élémentaires de carbone groupées en amas d‘une centaine de nanomètres [32]. Les amas de particules ont tendance à s‘agréger pour former des agrégats tenus par des liaisons faibles de type Van der Waals et dont la taille peut aller jusqu‘à quelques microns (Figure 10). Les noirs de carbone sont largement utilisés en raison de leur disponibilité aisée (car issus de résidus pétroliers) et de leurs propriétés intéressantes. Ils présentent en effet une bonne conductivité électrique et thermique, une faible expansion thermique, une large gamme de surface spécifique (de 70 m²/g brut de synthèse jusqu‘à 1500 m²/g s‘il subit une activation) qui dépend du procédé de synthèse du noir de carbone [29] et une structure poreuse/perméable constituée d‘amas permettant le transport des gaz et de l‘eau [29]. Cependant ce type de matériau présente quelques inconvénients. Tout d‘abord, lorsqu‘il est utilisé comme support de catalyseur dans une électrode, les réactifs et les produits de la réaction circulent entre les agglomérats, ce qui augmente les pertes diffusives. Par ailleurs, les noirs de carbone contiennent une proportion importante de micropores (diamètre inférieur à 2 nm), ce qui peut également gêner la diffusion des gaz. Pour éviter ce problème de diffusion, des électrocatalyseurs avec une charge importante en platine sont utilisés. Les couches catalytiques résultantes sont ainsi plus fines (puisque la proportion de carbone est plus faible) et les pertes diffusives limitées. Enfin, les noirs de carbone contiennent, entre autres, du soufre (qui peut être partiellement éliminé par un traitement thermique [33]) qui provoque l‘empoisonnement et l‘agglomération d‘une partie des particules de platine.