Amélioration des performances électrochimiques impact de la composition de la couche catalytique cathodique

Ce chapitre est le premier consacré à l‘amélioration des performances des couches catalytiques cathodiques réalisées avec la meilleure texture d‘aérogel de carbone (%sol=5 et R/C=200) déterminée au chapitre III. Dans ce chapitre, le travail va porter sur la composition de la couche catalytique. L‘objectif est double : il s‘agit d‘augmenter l‘activité du platine et de diminuer les pertes diffusives. Pour diminuer les pertes diffusives, nous avons choisi d‘ajouter du PTFE (polytétrafluoroéthylène) dans la couche catalytique. Le PTFE a la particularité d‘être hydrophobe, son ajout doit permettre de contribuer à évacuer l‘eau produite à la cathode et ainsi d‘éviter l‘engorgement des pores. Toutefois, puisque le PTFE ne conduit pas les protons, la quantité ajoutée doit être limitée. Ce travail a été réalisé après avoir déterminé la quantité Quand la charge en nafion® est trop élevée (Figure 69C), l‘épaisseur de nafion® qui recouvre les particules de catalyseur est trop importante et empêche la diffusion des réactifs gazeux aux sites réactifs. De plus, la porosité de la couche catalytique diminue, ce qui limite également la diffusion des gaz. Lorsque la quantité de nafion® est optimale (Figure 69B), le catalyseur, le nafion et le réseau poreux forment trois réseaux percolants interconnectés. La conduction des ions et des électrons est assurée ainsi que la diffusion des réactifs gazeux et les pertes diffusives sont alors limitées. mais aucun consensus n‘a été obtenu. De plus, à notre connaissance, une seule étude de ce type a été publiée en utilisant des aérogels de carbone comme support de catalyseur [222]. Pour notre étude, nous nous sommes basés sur la littérature [223],[224] pour déterminer la gamme de charge en nafion® testée. Nous avons choisi d‘évaluer trois ratios massiques Nafion®/Carbone (N/C) : 0.5, 1 et 2.

Préparation des AME 

Les encres catalytiques réalisées avec les trois ratios N/C (cf. chapitre II) ont été préparées à partir de deux lots d‘électrocatalyseur différents (pour des raisons pratiques): l‘un pour préparer les AME avec les ratios N/C égaux à 0.5 et 2, l‘autre pour fabriquer l‘AME ayant un ratio N/C égal à 1. Néanmoins, les deux lots ont été réalisés dans les mêmes conditions et possèdent le même taux de platine (35 %m). De plus, ils ont tous deux été caractérisés sur électrode à disque tournant et nous n‘avons pas noté d‘écart significatif au niveau de leur activité catalytique (massique ou surfacique). A partir de ces encres, trois couches catalytiques cathodiques de 50 cm² de surface ont été préparées. Elles ont ensuite été assemblées avec une membrane N112, une couche de diffusion et une anode commerciale (II.1.3.4) pour former trois AME. Ces AME sont référencés de la manière suivante : AME-N/C_(valeur du ratio N/C). La composition de la couche catalytique cathodique de ces AME est présentée dans le Tableau 15. Les trois AME ont la même charge en platine.

Etant donnée la chute brutale de performance pour l‘AME réalisé avec un ratio N/C égal à 2, nous pouvons raisonnablement supposer que nous nous trouvons dans le cas décrit sur la Figure 69C, c‘est à dire que la charge en nafion® est trop élevée. Cela entraine un accès limité de l‘oxygène aux particules de platine et une diminution importante de la porosité de la couche catalytique. Ces résultats seront confirmés dans la suite par l‘analyse des différentes pertes (cf. IV.1.2.3.2). L‘écart de performance entre AME-N/C_0.5 et AME-N/C_1 est moins  important. Le taux de nafion® semble ici avoir essentiellement un impact aux fortes densités de courant. Cela indique que pour ces valeurs, la quantité de nafion® introduite permet d‘avoir un triple contact carbone/platine/nafion® suffisant mais génère des limitations à la diffusion  massiques Nafion®/Carbone (N/C) choisis, 0.5 donne les meilleurs résultats. Une analyse plus approfondie des caractéristiques des AME (grâce aux méthodes décrites dans le chapitre II) permet d‘analyser ce résultat. Le Tableau 16 présente les caractéristiques des AME mesurées sur le banc monocellule pour une humidité relative de 100 % à l‘anode et à la cathode. nous comparons les valeurs de surface de platine actif des trois AME, nous remarquons que pour l‘AME contenant la plus grande quantité de nafion®, cette surface est 80 % inférieure aux deux autres. Ce phénomène est très certainement dû au fait que la couche de nafion® est Les AME présentent des capacités de double couche (Cdl) étonnantes. En effet, nous pouvons noter que cette capacité a tendance à diminuer à mesure que la quantité de nafion® augmente. Or, la capacité de double couche apparaît lorsque le nafion® est en contact avec le 71b) puis lorsque l‘imprégnation dans les pores n‘est plus possible, un film se crée à la surface des grains (Figure 71c) bouchant ainsi l‘accès à la porosité.