Etude du vieillissement des Assemblages Membrane Electrodes étudiés

Dans ce chapitre nous nous intéressons au comportement des aérogels de carbone vis à vis du vieillissement, ce qui à notre connaissance n‘a pas été réalisé de manière systématique [222]. Il s‘agit d‘un point important à considérer puisque la durabilité des piles PEM est un des problèmes clés à résoudre pour envisager leur développement à grande échelle. Dans les chapitres précédents, nous avons vu qu‘il était possible d‘approcher les performances de l‘électrocatalyseur commercial TEC10E40E via différentes modifications de la couche catalytique (architecture du support carboné, diminution de la quantité de nafion® introduite, utilisation de PTFE, modification de la méthode de dépôt de platine). Il s‘agit maintenant d‘une part de comparer le comportement au vieillissement des aérogels de carbone avec un matériau commercial et d‘autre part de voir si les aérogels de carbone peuvent atteindre les objectifs fixés par le DOE en termes de durabilité. Pour cette étude, nous avons étudié le vieillissement du support carboné cathodique. Pour cela nous avons utilisé les améliorations déterminées dans les chapitres précédents i.e. la meilleure architecture d‘aérogel de carbone déterminée au chapitre III, la meilleure composition de couche catalytique déterminée au chapitre IV et les deux meilleures méthodes de dépôt de platine déterminées au chapitre V. Nous avons comparé le vieillissement de nos matériaux avec celui de l‘électrocatalyseur commercial TEC10E40E mis en œuvre dans la couche catalytique cathodique d‘un AME en utilisant la meilleure composition de couche catalytique déterminée au chapitre IV. Après les tests de vieillissement, nous avons réalisé des analyses post mortem pour analyser plus précisément la dégradation de la couche catalytique cathodique. L‘eau produite a été analysée par ionométrie afin de mesurer la concentration en ion fluor et ainsi vérifier que la dégradation touchait majoritairement les électrocatalyseurs et non la membrane. Des clichés des couches catalytiques cathodiques ont été pris grâce à un microscope électronique à balayage et un microscope électronique en transmission afin de visualiser les évolutions de texture du carbone, de répartition du Pt et plus généralement de dégradation.

Méthodes de vieillissement

A l‘heure actuelle, il n‘existe pas de méthode de vieillissement des piles PEM Européenne dans le cadre du projet FCTESTNET (Fuel Cell Testing and Standardisation Network) [273]. Une des méthodes utilisées pour faire vieillir une pile PEM (stack ou monocellule) consiste à maintenir la densité de courant à une valeur constante pendant plusieurs centaines ou milliers d‘heures. Il est également possible de simuler les conditions normales de fonctionnement pendant la durée nécessaire pour l‘application souhaitée [143]. Ce type de méthode permet d‘avoir une bonne idée de la durabilité de la pile mais il génère de fortes contraintes en termes de temps et de coût. Ainsi, une pile destinée à une utilisation dans un bus (275 kW) nécessite des tests d‘une durée de 20000 heures (soit plus de 2 ans en continu) et coûte 2 millions de dollars en hydrogène (3.8 milliards de litres d‘hydrogène à 5.3 $US/m3) [127]. Par conséquent les méthodes de vieillissement accéléré sont de plus en plus populaires [274-276]. Ces méthodes ne permettent pas d‘avoir une idée de la durée de vie de la pile mais elles permettent d‘étudier le vieillissement d‘un des composants en particulier en se basant sur les paramètres qui affectent son vieillissement (cf. chapitre I, I.5).

Pour des raisons évidentes de gain de temps et d‘argent, nous avons choisi d‘utiliser la méthode de vieillissement accéléré pour étudier le vieillissement des aérogels de carbone. Puisque l‘originalité de ce travail repose sur l‘utilisation d‘aérogels de carbone comme support de catalyseur, c‘est ce composant que nous avons choisi de faire plus particulièrement vieillir. La difficulté pour établir le protocole de vieillissement réside dans le fait que la méthode de vieillissement accéléré ne doit pas seulement activer le mode de dégradation du composant sélectionné mais elle doit aussi minimiser les effets de confusion liés aux autres composants. Ainsi, dans notre cas il faut dégrader le support de catalyseur sans affecter significativement le catalyseur même si la dégradation du support n‘est bien sûr pas sans conséquence pour les particules de catalyseur déposées.