Développement de catalyseurs pour les piles à combustible basse température à membrane bipolaire

par Pietro giovanni Santori

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Frédéric Jaouen.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de AIME - Agrégats, Interfaces, Matériaux pour l'Energie (equipe de recherche) depuis le 09-01-2017 .


  • Résumé

    Low temperature polymer-electrolyte fuel cells have gained a lot of interest for automotive and stationary applications. The current catalysts contain platinum-group-metals (PGM), leading to high cost. The development of PGM-free catalysts or catalysts with ultralow amount of PGM is therefore necessary for a large scale application. The present thesis is part of a European Project that involves several partners for the development of novel Anion Exchange Membrane Fuel Cell (AEMFC) and bipolar membrane fuel cells. Their development requires the study of novel ionomers but also novel catalysts for the anode and the cathode. This PhD project will focus on one hand on catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline medium. For this reaction, even the most active catalyst, platinum, shows lower activity with respect to acidic medium. Fe-N-C catalysts synthetized with pyrolysis in inert gas shows higher ORR activity in high pH electrolyte vs. acid medium, while the product of the synthesis in reactive gas (NH3) shows an activity comparable to, or even better than, platinum in alkaline medium, but lower stability due to the formation of hydrogen peroxide during the ORR. The main drawback for Me-N-C catalysts (Me = Fe, Co) is their poor kinetics for the reduction of hydrogen peroxide, which is a strong oxidizer for electrochemical cells. To increase the stability of the system, composite materials Me-N-C/metal-oxides will be studied, using metal oxides of abundant metals. Metals oxides are expected to improve the electrochemical stability of the fuel cell thanks to their fast kinetics for hydrogen peroxide reduction. The PhD project will also focus on the investigation of anode catalysts (hydrogen oxidation reaction) operating in acidic medium. Platinum catalyses very efficiently the HOR in acid medium, but the challenge is the preparation of stable catalysts with ultralow loading of PGM. Such catalysts can be combined ultimately with PGM-free catalysts for the ORR in alkaline medium in so-called bipolar membrane fuel cells. The PhD project also includes the study of PGM-free composite ORR catalysts in AEMFC, with anion-conducting membranes developped by other partners.

  • Titre traduit

    Investigation of electrocatalysts for low temperature bipolar membrane fuel cells


  • Résumé

    Conducteur d'anions (AEMFC) et de piles à combustible à membrane bipolaire (BMFC). Ces dispositifs nécessitent l'étude de nouveaux ionomères mais également de nouveaux catalyseurs pour la cathode et l'anode. Cette thèse de doctorat se concentrera d'une part sur l'étude de catalyseurs pour la réduction de O2 (ORR) en électrolyte alcalin. Pour cette réaction, même le catalyseur le plus actif, le platine, présente une activité plus faible qu'en milieu acide. Les catalyseurs Métal-N-C (métal = Fe, Co) préparés par pyrolyse peuvent montrer une activité similaire, et parfois supérieure, à celle obtenue avec le platine à pH élevé. Cependant, leur inconvénient principal est leur plus faible stabilité, due à la formation de peroxyde d'hydrogène lors de l'ORR et à l'incapacité des catalyseurs de type métal-N-C à réduire le peroxyde en eau. Le peroxyde d'hydrogène est en effet un oxydant fort pour les cellules électrochimiques. Afin d'augmenter la durabilité des systèmes, nous allons préparer et étudier des composites Me-N-C/oxyde de métal, en ayant recours à des métaux non précieux pour l'oxyde. Certains oxydes de métaux sont connus pour leur activité élevée pour la réduction électrochimique du peroxyde en eau, ce qui devrait augmenter la durabilité des dispositifs AEMFC intégrant des catalyseurs Me-N-C à la cathode. La thèse de doctorat intègre également l'étude de catalyseurs pour l'anode (oxydation de H2) en électrolyte acide. Le platine est un catalyseur très efficace pour cette réaction. Le défi est la préparation de catalyseurs stables contenant des quantités extrêmement faibles de platine. De tels catalyseurs seront intégrés dans une pile à combustible à membrane bipolaire (cathode à pH élevé, anode à pH faible), et combinés avec les catalyseurs sans métaux précieux décrits ci-dessus à la cathode. Les catalyseurs composites de cathode seront également intégrés dans des dispositifs AEMFC, la membrane conductrice d'anions étant développée en parallèle par d'autres partenaires.