Les protons (particules subatomiques) peuvent être transférés de l'anode à la cathode à travers la membrane ionomère dans les piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC). Les scientifiques peuvent étendre les voies des protons en imprégnant l'ionomère (type de polymère) dans les électrodes pour obtenir une meilleure efficacité de transfert de protons. Étant donné que l'ionomère imprégné peut lier mécaniquement les catalyseurs à l'intérieur de l'électrode, ils sont connus comme un liant. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Chi-Yeong Ahn et une équipe de recherche ont présenté une approche simple pour utiliser un fluide supercritique et préparer une dispersion homogène à l'échelle nanométrique de matériau liant dans de l'alcool aqueux. La préparation a montré un caractère de dispersion élevé, cristallinité et conductivité protonique pour des applications hautes performances et durables dans une électrode cathodique PEFC.

Les piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC) sont des dispositifs électrochimiques capables de convertir efficacement l'énergie chimique du combustible directement en énergie électrique. Les PEFC sont largement influencés par des composants clés, notamment les membranes électrolytiques polymères, catalyseurs et ionomères d'acide sulfonique perfluoré (PFSA). Les réactions d'oxydoréduction qui se produisent dans un PEFC se produisent principalement à l'interface d'électrode connue sous le nom de limite de phase triple (TPB) à laquelle les gaz réactifs (H 2 à l'anode et O 2 à la cathode) peuvent entrer en contact avec des particules de catalyseur de platine (Pt), sur des matériaux carbonés conducteurs d'électrons (d'où la triple phase). Dans la présente étude, Ahn et al. ont décrit une dispersion d'ionomère avec une taille de particule colloïdale moyenne beaucoup plus petite que les dispersions disponibles dans le commerce en traitant une membrane Nafion 117 avec de l'alcool aliphatique dans des conditions supercritiques. La membrane Nafion, un nom de marque pour une membrane d'acide sulfonique perfluoré (PFSA) introduit par E. I. du Pont de Nemours and Company dans les années 1960, peut séparer les compartiments anodique et cathodique dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons et dans les électrolyseurs à eau.

Les fluides supercritiques (SCF) sont largement utilisés dans l'industrie et la recherche pour synthétiser des médicaments spéciaux, polymères et nanomatériaux, avec des applications supplémentaires pour préparer des matériaux pour des études électrochimiques. Cependant, les chercheurs doivent encore explorer l'efficacité des ionomères d'acide sulfonique perfluoré superacide (PFSA) en tant que liants d'électrode. Pour y parvenir, Ahn et al. d'abord obtenu une dispersion d'ionomère fabriquée en laboratoire en traitant une membrane Nafion disponible dans le commerce dans un milieu aqueux d'alcool isopropylique (IPA) à l'état de fluide supercritique (SCF). Ensuite, en utilisant l'analyse de diffusion dynamique de la lumière, les chercheurs ont observé des distributions de particules d'ionomère avec des tailles inférieures à 100 nm et ont nommé la dispersion fabriquée en laboratoire une « nanodispersion » (ND). Le ND a subi une transition de phase d'une dispersion aqueuse à un solide, pour son utilisation comme liant cathodique. En utilisant une analyse par diffraction des rayons X (XRD), ils ont obtenu les cristallinités de la ND et les ont montrées sous forme de chaînes semi-cristallines emballées uniformément avec une régularité améliorée, par rapport au Nafion D521 utilisé dans d'autres systèmes PEFC. La conductivité protonique améliorée du ND impliquait une résistance plus faible; prédire un haut niveau de performance de l'assemblage membrane-électrode (MEA) pour un fonctionnement monocellulaire.

Ahn et al. caractérisé (testé) la dispersion d'ionomère réalisée avec du SCF, en utilisant la microscopie électronique à balayage pour observer la topographie et la porosimétrie par intrusion de mercure (MIP) pour mesurer les porosités. Ils ont observé une surface relativement uniforme du ND sur la surface MEA (assemblage membrane-électrode); l'ionomère ND était bien dispersé sur le catalyseur Pt/C dans la suspension d'encre pour préparer le MEA pour commencer. Sur la base des morphologies et de la distribution de la taille des pores du catalyseur, le ND avait une meilleure dispersibilité des ionomères pour l'utilisation de combustible dans l'assemblage membrane-électrode.

La teneur en liant pour la formulation des électrodes était importante en tant que l'un des composants qui déterminait la limite de phase triple (TPB). Les scientifiques ont réglé le rapport ionomère dans les électrodes chaque fois que l'un des composants de l'électrode était modifié. Pour comprendre les performances des ionomères, ils ont détecté les performances électrochimiques des MEA en utilisant des cathodes à 30 % poids de D521 (MEA-0) vs 10, 20, et 30 pour cent en poids de ND (MEA-10, MEA-20 et MEA-30). Les performances MEA ont augmenté avec la teneur en ionomère. Ils ont déterminé une quantité appropriée d'ionomère pour la fabrication du MEA et ont décidé du MEA-20, qui présentait les performances les plus élevées dans une atmosphère d'oxygène. Lorsqu'ils ont mesuré les performances électrochimiques des AME dans l'air, les performances de la pile à combustible ont diminué en raison de la présence d'azote inerte et de concentrations réduites d'oxygène.

Pour comprendre les performances monocellulaires et la durabilité électrochimique, l'équipe a sélectionné deux échantillons (MEA-0 et MEA-20) et a effectué le test de résistance accéléré (AST). Ils ont effectué l'AST en utilisant une méthode de cycle de charge, ce qui a causé une grave dégradation de l'électrode cathodique. Le degré de dégradation électrochimique dépend du type d'ionomère utilisé dans la cathode. Par exemple, Le MEA-20 (ionomère ND) a maintenu ses performances électrochimiques à 3,33% en présence d'oxygène et sa durabilité électrochimique a augmenté environ six fois plus que celle du MEA-0, par rapport à la densité de courant.

Même après les stress tests accélérés (AST), la densité de courant du MEA-20 était supérieure à la densité de courant initiale du MEA-0. La dégradation du catalyseur était donc importante dans le MEA-0 mais à peine perceptible dans le MEA-20. Ahn et al. crédité le poids moléculaire élevé et la cristallinité améliorée de l'ionomère constituant pour justifier la tolérance électrochimique améliorée de l'électrode ND, ce qui a permis d'éviter la dégradation du catalyseur. Ils ont effectué une microscopie électronique à transmission (MET) pour confirmer les changements physiques dans l'électrode après l'AST et ont noté moins de dégradation du catalyseur dans l'électrode ND. La durabilité électrochimique extrêmement améliorée était due à une résistance mécanique améliorée basée sur le poids moléculaire élevé et le caractère cristallin amélioré du ND, qui était plus difficile à éliminer pendant la fonction PEFC.

De cette façon, Chi-Yeong Ahn et ses collègues ont démontré la préparation et la caractérisation d'un ionomère ND contenant une taille de particule moyenne inférieure à l'ionomère D521 (qui avait une architecture chimique identique et un poids équivalent). Ils ont confirmé l'efficacité électrochimique du ND en tant que matériau liant cathodique et observé des morphologies uniques pour l'ionomère ND obtenu à partir du procédé SCF (fluide supercritique). Ces morphologies correspondaient à une conductivité protonique améliorée et à des performances de cellule unique, résultant d'une voie de transport de protons efficace. Le contenu cristallin et le poids moléculaire plus élevés de la ND ont amélioré la résistance mécanique et la durée de vie du MEA d'un facteur six à une densité de courant de 0,6 V. Les résultats ont montré une amélioration des performances et de la durabilité des électrodes PEFC. L'équipe de recherche s'attend à ce que l'électrode améliore encore les performances et la durabilité lors de l'application de l'ionomère nouvellement formé avec un catalyseur haute performance dans une pile à combustible à électrolyte polymère.

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