Impact de la texture d’aérogels de carbone sur leur utilisation comme support de catalyseur en couche catalytique cathodique de pile PEM

Ce chapitre est consacré à l‘étude de l‘impact de la texture des aérogels de carbone sur les performances en Assemblage Membrane Electrodes (AME). Ce travail permettra (i) d‘avoir une meilleure compréhension des phénomènes diffusifs qui ont lieu lors du fonctionnement d‘un AME par des caractérisations au cours des différentes étapes au niveau de l‘électrocatalyseur lui-même ou mis en œuvre au sein d‘un AME mais également, (ii) grâce aux conclusions, d‘améliorer les performances en pile. Selon Gasteiger et al. [27] il y a deux manières d‘améliorer les performances électrochimiques des PEMFC : (i) en augmentant l‘activité catalytique des électrocatalyseurs, (ii) en réduisant les pertes diffusives. Ce dernier point implique d‘améliorer en premier lieu la structure des électrodes, ce qui impose de travailler sur la texture de la couche catalytique et donc sur celle du support de catalyseur, sujet de ce chapitre. L‘amélioration de la composition de la couche ainsi que de l‘activité catalytique seront traitées dans les chapitres suivants (chapitres IV et V). Pour cette étude nous avons synthétisé sept aérogels de carbone de textures différentes. Ces matériaux ont été choisis car ils sont considérés comme des matériaux modèles en raison de leur texture ajustable en fonction des paramètres de synthèse. Nous avons ensuite déposé du platine sur chacun de ces aérogels de carbone en suivant le protocole décrit dans le chapitre II (II.1.2). Ces électrocatalyseurs ont été utilisés pour réaliser des couches catalytiques cathodiques d‘AME.

La porosité des aérogels de carbone ainsi que des couches catalytiques résultantes a été déterminée par adsorption d‘azote et/ou porosimétrie mercure. Les caractéristiques électrochimiques des électrocatalyseurs ont été évaluées sur électrode à disque tournant. Les couches catalytiques cathodiques d‘AME ont été caractérisées sur le banc monocellule du laboratoire. Les performances de ces AME ont été comparées avec celles d‘un AME préparé avec un électrocatalyseur commercial (TEC10E40E de la société Tanaka Kikinzoku Group) à la cathode. compact de l‘aérogel de carbone [78], c‘est à dire la proportion plus ou moins importante de vide. Pour une valeur de R/C donnée, la densité de l‘aérogel de carbone augmente lorsque le %sol augmente. Il ne s‘agit pas d‘une relation de proportionnalité car le retrait lors de la pyrolyse varie en fonction du %sol. La Figure 47 illustre la relation entre la densité et la texture de l‘aérogel de carbone pour des aérogels de carbone de faible ou grande densité. Pour un aérogel de carbone de faible densité, le diamètre des mésopores (a) est plus important que pour un aérogel de grande densité.

Influence du ratio résorcinol/catalyseur (R/C)

Le ratio R/C contrôle essentiellement la taille des particules de l‘aérogel de carbone [78],[79]. Pour des ratios R/C élevés, la proportion de catalyseur est faible, ce qui favorise la croissance des particules. Pour des ratios R/C faibles, la proportion de catalyseur est élevée, ce qui favorise la formation de nombreuses particules plus petites. Le ratio R/C contrôle également la taille des mésopores, la distribution de taille des pores et le volume de mésopores [74]. Il est possible de distinguer deux types d‘aérogels de carbone en fonction du ratio R/C : les aérogels de carbone polymériques (R/C=50) et les aérogels de carbone colloïdaux (R/C=200 et R/C=300) [200]. Cependant, la frontière entre ces deux familles n‘est pas nécessairement aussi claire [78]. Les aérogels de carbone colloïdaux sont constitués de particules sphériques bien définies et connectés de manière étroite (petite zone de jonction). Leur diamètre est compris entre 12 nm (R/C=200) et 15 nm (R/C=300). Les aérogels de carbone polymériques (R/C=50) sont constitués de particules plus petites (3 à 5 nm) et moins biens définies, ce qui donne une apparence fibreuse à l‘aérogel [73]. Pour ce type d‘aérogel de carbone, la croissance des particules est limitée par rapport à la formation de liaisons entre les chaines de polymère. Par conséquent, la zone de jonction entre ces particules est plus large, de l‘ordre de la taille de la particule [78].