catalyseur sans Platine avec une structuration 3D pour PEMFC

par Camille Roiron

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Jean-Pierre Simonato.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec CEA Grenoble / LITEN (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La pile à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est un systèmle de choix pour l'alimentation en énergie dans les transports. La PEMFC repose sur deux réactions électrochimiques, l'oxydation de l'hydrogène (HOR) et la réduction de l'oxygène (ORR). Ces deux réactions sont catalysées par du Platine nanoparticulaire pour améliorer la cinétique et rendre la PEMFC compatible avec l'application automobile. Une PàC pouvant fournir 100 kw nécessite 50 g Pt ; dont 80% à la cathode. Cette quantité de Platine nécessaire est un frein au développement de la technologie à cause du prix et de la rareté du Pt. La diminution du chargement en Pt est un enjeu majeur. La vpoie privilégiée aujourd'hui est l'utilisation des non-PGM à la cathode. L'approche bioinspirée consiste à prendre exemple sur les structures de CcO's heme a3 et a conduit à une famille de catalyseurs basés sur des métaux de transitions (Fe, Co) coordonnés à des N positionnés dans un réseau de C sp2 notés Fe/N/C [ , ]. Cette thèse vise à explorer une façon innovante de préparer des PGM-free catalyseurs pour l'ORR en synthetisant des aerogels de carbone dopés à l'azote et aux métaux de transition (Fe,Mn,Cu) pour obtenir des structures 3D. En variant les conditions opératoires de préparation de ces matériaux une nouvelle famille de catalyseur sera obtenue avec la possibilité de faire varier: -Le site actif , selon le ratio metal/N et le métal utilisé -La taille et distribution des pores (aerogel/xérogel) Cette méthode permet de considérer le catalyseur et son support comme une unique entité préparée en one-pot ce qui est une nouveauté par rapport aux méthodes actuellement utilisées. L'activité du catalyseur et le transport de masse (eau, oxygène, protons) au sein de la structure 3D seront étudiés dans des systèmes membrane électrode complets.

  • Titre traduit

    3D Structured PGM free catalyst for PEMFC


  • Résumé

    Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a system of choice to feed electrical engine for transport application. The principle of PEMFC is based on electrochemical reactions to produce electricity from hydrogen oxidation (HOR) and oxygen reduction (ORR) reactions. Those both reactions are catalyzed by platinum (Pt) nanoparticles to improve their kinetics making them compatible with the power density required for automotive application. The state of the art 100 kw gross power stacks require around 50 g Pt ; 80% of which is used at the cathode. The platinum loading is a real brake to the development of the technology.The work on the decrease of PT loading conducted to the use of non PGM (platinum group metal) catalyst at the cathode. The bioinspired approach takes interst in the CcO's heme a3 structures and has conducted to a family of catalyst based on transition metals (Fe and/or Co) coordinated to several N atoms occupying particular positions on a C-C sp2 network, denoted as Fe/N/C [ , ]. Work description: This thesis aims at exploring an innovative way to prepared PGM free catalyst for ORR by synthesizing carbon aerogel material doped with N and low cost transition metal by screening different C and N precursors and metals (Fe, Mn, Cu) to prepare 3D structured aerogel materials. By varying the experimental set up and operating conditions a new family of materials will be obtained with tunable: - Active site, depending on the metal/N ratio and the metal element - Pore size distribution thanks to the preparation technics (aerogel/xerogel synthesis) This approach allows to consider the catalyst (active site) and its support as a whole and a unique material prepared in one pot, which is a breakthrough regarding commonly describe preparation route. The activity of the as prepared materials will be tested in full MEA in order to have information on the: - catalyst activity - impact of catalyst 3D structure on mass transport (water management, oxygen diffusion, protons conductivity)