Understanding and Optimizing Proton Exchange Membrane Fuel Cell Catalyst Layers
Compréhension et optimisation des couches actives de pile à combustible à membrane échangeuse de protons
Résumé
The Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is an electrochemical converter that produces electricity, heat and water from the oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. This efficient and greenhouse gas-free technology is a promising candidate for reducing CO2 emissions, particularly in heavy-duty transportation applications (trucks, buses, etc.). Catalyst layers are the seat of electrochemical reactions and thus the electrodes of the PEMFC. They determine the performance, cost and durability of the fuel cell. Catalyst layers are porous layers composed of nanostructured catalyst particles bound by a proton-conducting polymer, the ionomer. The catalyst layer is obtained by drying, after coating, an ink consisting of a dispersion of catalyst particles and ionomer in one or more solvents. It has been shown that the performance of the catalyst layer depends on manufacturing parameters such as catalyst layer composition, ink solvent type, deposition and assembly process with other PEMFC components. In this work, the structural characterization of the ionomer in the catalyst layer will provide a better understanding of the relationships between its fabrication and operation.
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est un convertisseur électrochimique qui produit un courant électrique, de la chaleur et de l'eau à partir de l'oxydation de l'hydrogène et de la réduction de l'oxygène. Cette technologie performante et non émettrice d'émissions de gaz à effet de serre est un candidat prometteur pour réduire les émissions de CO2, en particulier dans les applications de transport lourd (camion, bus, ...). Les couches actives sont le siège des réactions électrochimiques et donc les électrodes de la PEMFC. Elles régissent les performances, le coût et la durabilité de la pile. Les couches actives sont des couches poreuses composées de particules de catalyseur nanostructurées et liées par un polymère conducteur de protons, l'ionomère. Elle est obtenue par séchage, après enduction, d'une encre constituée d'une dispersion des particules de catalyseur et d'ionomère dans un ou plusieurs solvants. Il a été démontré que le fonctionnement de la couche active dépend des paramètres de fabrication, tels que sa composition, le type de solvant de l'encre ou encore le procédé de dépôt et d'assemblage avec les autres composants de la PEMFC. Dans le cadre de cette thèse, la caractérisation structurale de l'ionomère dans la couche active permettra de mieux comprendre les liens se tenant entre sa fabrication et son fonctionnement.
Domaines
Matériaux| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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