Analyse de la structure et des propriétés du conducteur protonique des électrodes de PEMFC par diffusion de neutrons aux petits angles et par électrochimie : impact des cycles accélérés de dégradations - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Structure and properties analysis of the proton conductor contained in PEMFC electrodes by small angle neutron scattering and electrochemistry : impact of accelerated stress tests

Analyse de la structure et des propriétés du conducteur protonique des électrodes de PEMFC par diffusion de neutrons aux petits angles et par électrochimie : impact des cycles accélérés de dégradations

Florian Chabot
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1237165
  • IdRef : 268474923

Résumé

This work uses small angle neutron scattering and electrochemical characterizations to study the structure and properties of ionomer in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) electrodes. The final objective of this thesis is to establish the link between ionomer degradation and the decrease of electrochemical performances. Small Angle Neutron Scattering (SANS) allows to study the electrode structure for characteristic sizes ranging from the nanometre to several hundreds of nanometres. The analysis method developed in this thesis gives access to the distribution of the ionomer, the size of the primary carbon particles and their porous structure as well as the adsorption and localization of water in the electrode. The analysis of SANS profiles shows that the ionomer disperses as a thin film of 1.5 to 2.5 nm thickness on the surface of the Pt/C catalyst, or forms aggregates (>50 nm) depending on the electrode fabrication process. Electrochemical characterizations are developed to study the role of the ionomer in the electrode operation. Measurements of performance, electrochemical impedance spectroscopy, double layer capacitance, CO oxidation and proton desorption are carried out. These measurements underline the importance of adsorbed water on the surface of the Pt/C catalyst for proton transport and show that the ionomer allows to keep water in the vicinity of active sites at low relative humidity. However, ionomer limits the accessibility of platinum to the gas, or even prevents it completely. SANS and electrochemical measurements are applied to new and aged electrodes to study the impact of aging on the properties and structure of the ionomer. The degradation of protonic conductivity in the electrode contributes to the drop in performance and seems to be related to the degradation of the chemical structure of the ionomer.
Ce travail de thèse utilise la diffusion de neutrons aux petits angles et les caractérisations électrochimiques pour étudier la structure et les propriétés du ionomère dans les électrodes de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). L'objectif final de cette thèse est de faire le lien entre la dégradation du ionomère et la diminution des performances électrochimiques. La diffusions de neutrons aux petits angles, ou SANS pour Small Angle Neutron Scattering, permet d'étudier la structure de l'électrode pour des tailles caractéristiques allant du nanomètre à plusieurs centaines de nanomètres. La méthode d'analyse développée dans cette thèse permet d'accéder à la distribution du ionomère, aux taille des particules primaires de carbone et à leurs porosités ainsi qu'à l'adsorption et à la localisation de l'eau dans l'électrode. L'analyse des profils met en évidence que le ionomère se disperse en film fin de 1,5 à 2,5 nm d'épaisseur à la surface du catalyseur Pt/C, ou forme des agrégats (>50 nm) en fonction du procédé de fabrication des électrodes. Des caractérisations électrochimiques sont développées pour étudier le rôle du ionomère dans le fonctionnement de l'électrode. Des mesures de performances, de spectroscopie d'impédances électrochimiques, de capacité de double couche, d'oxydation de CO et de désorptions de protons sont mises en œuvres. Ces mesures soulignent l'importance de l'eau adsorbé à la surface du catalyseur Pt/C pour le transport des protons et montrent que le ionomère permet de conserver de l'eau à proximité des sites actifs aux faibles humidités relatives mais qu'il limite l'accessibilité du platine au gaz, voir l'empêche complétement. Les mesures SANS et électrochimiques sont appliquées à des électrodes neuves et vieillis pour étudier l'impact du vieillissement sur les propriétés et la structure du ionomère. La dégradation de la conduction protonique dans l'électrode contribue à la chute des performances et semble reliée à la dégradation de la structure chimique du ionomère.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04028825 , version 1 (14-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04028825 , version 1

Citer

Florian Chabot. Analyse de la structure et des propriétés du conducteur protonique des électrodes de PEMFC par diffusion de neutrons aux petits angles et par électrochimie : impact des cycles accélérés de dégradations. Génie chimique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. Français. ⟨NNT : 2022GRALI085⟩. ⟨tel-04028825⟩
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