Compréhension des mécanismes d’interaction des catalyseurs bimétalliques des piles PEMFC avec les polluants de l’hydrogène et de l’air atmosphérique

Understanding of the interaction mechanisms of PEM fuel cells catalysts with the pollutants of hydrogen and atmospheric air

• Auteur / Autrice : Seng Kian Cheah
• Direction : Patrick Gelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 09/01/2012
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Jallut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alejandro Antonio Franco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Maugé, Anthony Kucernak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Platine

Piles à combustible

Mots clés libres

Piles à combustible de type PEM

Platine

Bimétalliques Pt-Co et Pt-Ru

Mesures transitoires de l’oxydation de CO

Tolérance à l’empoisonnement par CO

Spectroscopie DRIFT

Modélisation cinétique

PEM Fuel Cells

Platinum

Pt-Ru bimetallic catalysts

Transient studies of CO oxidation

CO tolerance

DRIFT spectroscopy

Kinetic modeling

Résumé

Ce travail a pour objectif général de développer une compréhension approfondie de l’interaction du CO avec des catalyseurs anodiques dans les piles à combustible de type PEM (PEMFC), et d’évaluer son impact vis-à-vis de leur réactivité et stabilité lors de l’oxydation de l’hydrogène. Premièrement un modèle physique multi-échelle a été conçu pour simuler les performances de piles PEMFC alimentées par de l’hydrogène contenant des traces de CO. Il est basé sur la simulation Monte Carlo et la modélisation cinétique des étapes électrochimiques/chimie élémentaires. Une étude expérimentale de l’adsorption et de l’oxydation de CO simulant la technique d’ « O2 bleeding » a été utilisée pour mieux comprendre les mécanismes. Des catalyseurs de Pt ainsi que des bimétalliques PtxCoy et PtRu, supportés sur du carbone de grande aire spécifique, ont été étudiés. La spectroscopie IR (DRIFTS) et l’analyse QMS ont été utilisées pour l’étude de l’adsorption et oxydation de CO. Les défauts de surface, l’historique du catalyseur dans son interaction avec les différents gaz (H2, O2, CO), la température, la charge en Pt, la taille des particules, l’alliage de Pt avec Co ou Ru se sont révélé des paramètres clés dans la réactivité de CO avec O2. Le modèle multi-échelle a été appliqué aux catalyseurs Pt et PtxCoy. Les catalyseurs PtxCoy se révèlent plus tolérants au CO mais, en fonction du rapport Pt/Co, ils peuvent se dégrader par dissolution de Co comme démontré par nos expériences

The general objective of this work is to develop a deep understanding of the interaction of the CO with anodic catalysts in PEM Fuel Cells (PEMFCs), and to evaluate its impact on the reactivity towards the hydrogen oxidation and their stability. Firstly, a multiscale kinetic model is built up based on Monte Carlo simulation and kinetic modelling of elementary electrochemical/chemical steps as a tool to simulate the performance of PEMFCs fed with H2 containing CO traces. Experiments on CO adsorption and oxidation mimicking O2 bleeding were used to better understand the mechanisms. Monometallic Pt and bimetallic PtxCoy and PtRu catalysts supported on high surface area carbon were studied. CO adsorption and oxidation were investigated by means of DRIFT spectroscopy and QMS analysis. Defect sites (kink, edge), history of interaction with different gases (H2, O2, CO), temperature, Pt loading, particle size, alloying with Co or Ru are key parameters influencing the CO reactivity with O2. The multiscale kinetic model was applied to Pt and PtxCoy. PtxCoy nanocatalysts are shown to be highly CO tolerant but might degrade by Co dissolution in long term operation, depending on the Pt to Co ratio