Un noir de carbone graphitisé pour couches actives cathodiques
Un noir de carbone graphitisé pour couches actives cathodiques
Le projet PEMFC95 étudie l’intégration de noir de carbone graphitisé comme support de couches actives cathodiques.
En effet, le projet PEMFC95 a pour objectif de concevoir, fabriquer et valider des PEMFC capables de fonctionner durablement à 95°C. Comme la corrosion du carbone est un mécanisme de dégradation majeur des catalyseurs Pt/C usuels, et que la cinétique de cette dégradation est thermiquement activée, il est nécessaire de choisir des catalyseurs dont les substrats carbone sont particulièrement robustes. les carbones graphitisés sont une possibilité. Certains acteurs du projet PEMFC95 (le LEPMI et le CEA-LITEN) étudient particulièrement l’intégration de catalyseurs Pt/GC (GC = noir de carbone graphitisé) dans des couches actives de PEMFC, en utilisant des composants (catalyseurs, membranes, ionomères et couches de diffusion) commerciaux.
Les résultats montrent que les couches actives à base Pt/GC ne peuvent pas être fabriquées en conservant les même rapports ionomère / carbone que les couches actives utilisant des catalyseurs supportés sur des noirs de carbone non graphitisés.
Un rapport ionomère / carbone à adapter aux propriétés physicochimiques du noir de carbone support des nanoparticules de catalyseur
Dans une couche catalytique de PEMFC, le catalyseur (Pt/C) doit être mélangé avec le ionomère afin de construire une structure poreuse complexe, permettant la percolation électronique (via le réseau carbone), la percolation ionique (via le ionomère et la présence contrôlée d’eau dans la couche en fonctionnement) et le transport des gaz (par exemple l’oxygène). Bien entendu, le rapport ionomère / carbone doit être adapté à la texture du carbone. Pour les catalyseurs Pt/C usuels (avec un support carbone de grande aire spécifique, SBET > 250 m²/g), le rapport I/C est voisin de 0,7-0,8. Si l’on adapte le rapport I/C à la surface spécifique plus faible des catalyseurs Pt/GC (à support carbone graphitisé), pour lesquels l’aire spécifique du carbone est sensiblement plus faible, SBET < 150 m²/g, le rapport I/C optimal serait inférieur à 0,5.
Notre étude montre qu’il n’en est rien. Au contraire, le rapport I/C optimal doit être massivement augmenté pour des performances optimales. Plus précisément I/C doit être dans la gamme 1-1,2 pour des couches actives à base Pt/GC. Ce résultat montre que le rapport ionomère / carbone ne doit pas (seulement) être adapté à la texture et surface spécifique du carbone (croyance générale), mais qu’il faut aussi prendre en compte les propriétés physicochimiques du carbone, et notamment son caractère hydrophile/hydrophobe
NB : ces travaux ont été financés par le plan « France 2030 » opéré par l’ANR (projet PEMFC95, ANR-22-PEHY-0005), et par le projet Carnot Energies du Futur, OPTIPEM.
Références
