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Thèse Année : 2006

Development of fuel cell electrodes by plasma processing

ELABORATION D'ELECTRODES DE PILES A COMBUSTIBLE PAR PLASMA

Résumé

This work is part of a collaborative program between the GREMI laboratory in France (Orléans) and SP3 group in ANU (Canberra) on fuel cell optimization by plasma processing. My research project has involved developing a highly efficient fuel cell electrode made of high specific area carbon nanostructures surrounded by platinum catalyst by plasma techniques. During the first phase in France, I focused on platinum nanoparticles soaking of a chemical porous uncatalysed electrode over a depth of few hundred nanometers by plasma sputtering. This method decreased the platinum loading which is very expensive, compared to traditional chemical electrodes without decreasing the fuel cell efficiency. I started the second phase of my PhD in July 2005 at the Plasma Research Laboratory of the Australian National University. The plan for the Australian component of my research was to deposit high surface area carbon supports for the fuel cell catalyst by using plasma processing techniques. In this new electrode morphology, the catalyst is dispersed on few micrometers of a higher electrically conductive support which allows increasing fuel cell efficiency with a very low catalyst loading. Carbon nanofibers (CNF) were successfully grown on an electrode backing covered by a thin nickel layer using a Chemical Vapor Deposition in a high density helicon plasma processing reactor that I designed, built and commissioned. I have characterised the morphology of CNFs produced using different plasma deposition parameters and optimized the process for the fuel cell applications. This has included using a Helicon sputtering plasma to cover by platinum nanoparticles.
Cette thèse en cotutelle résulte de la collaboration entre le laboratoire français GREMI (Orléans) et le groupe australien SP3 (Université National Australienne) sur l'optimisation des piles à combustible par procédé plasma. Mon projet d'étude concerne le développement d'une électrode de pile à combustible constituée d'une nanostructure carbonée imprégnée d'agrégats de catalyseur platine, l'enjeu étant de réduire la quantité de platine tout en conservant de bonnes performances électrochimiques. Durant la première partie passée en France, des électrodes traditionnelles non catalysées ont été imprégnées d'agrégats de platine sur quelques centaines de nanomètres par pulvérisation plasma. Cette méthode a permis de réduire considérablement la charge de platine par rapport à une électrode traditionnelle catalysée chimiquement tout en réduisant légèrement ses performances. La seconde moitié de ma thèse en Australie concerna la croissance d'un support catalytique carboné de grande surface spécifique optimisé pour l'application pile à combustible. Des nanofibres de carbone (CNF) ont donc été déposées sur du papier de carbone recouvert d'une fine couche de nickel en utilisant un procédé CVD (Chemical Vapor Deposition) dans un réacteur plasma Helicon que j'ai conçu et développé. La morphologie des CNF a été caractérisée et optimisée en fonction des paramètres plasmas. Ce tapis de CNF a été imprégné d'agrégats de platine par pulvérisation plasma Helicon. Dans cette nouvelle électrode entièrement réalisée par plasma, le catalyseur dispersé est cette fois réparti sur quelques micromètres ce qui permettra d'augmenter les performances électriques de la pile.
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Dates et versions

tel-00150605 , version 1 (31-05-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00150605 , version 1

Citer

Amaël Caillard. Development of fuel cell electrodes by plasma processing. Energie électrique. Université d'Orléans; Australian National University, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00150605⟩
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