Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons génèrent de l’énergie électrique en décomposant l’hydrogène moléculaire en nanoparticules de platine finement dispersées à la surface d’une membrane conductrice de protons. Simultanément, l’oxygène est réduit au niveau de la cathode, entraînant la formation d’eau. À des densités de courant élevées, la réduction de l'oxygène est souvent limitée par le transport des protons à travers la membrane. Il n’est pas possible d’utiliser des membranes plus fines, car cela les rendrait susceptibles de se dégrader.
Une approche alternative prometteuse implique l’apport direct de protons à la cathode, contournant ainsi les limitations du transport de masse à travers la membrane. Ceci peut être réalisé en fournissant un environnement acide sur la cathode, ce que l'on appelle le dopage acide, améliorant ainsi les performances des piles à combustible. Ici, l’électrode et l’ionomère – un polymère qui assure la conductivité protonique – sont acides, tandis que l’électrolyte reste alcalin.
Un rôle important est joué par les oxydes de surface
Des chercheurs du Laboratoire de diffusion et d'imagerie des neutrons et du Laboratoire des interfaces électrochimiques du PSI et du Helmholtz-Zentrum Hereon ont pu identifier et caractériser les processus qui se déroulent à la cathode lors de ce soi-disant dopage acide.
Pour les expériences, les chercheurs ont utilisé deux configurations différentes:d'une part, des expériences modèles dans une cellule électrochimique spécialement conçue ont permis de réaliser des expériences de spectroscopie photoélectronique à rayons X sur la ligne de lumière de la source de lumière suisse SLS au PSI. D’autre part, ils ont utilisé des mesures d’impédance électrochimique operando dans un banc d’essai de pile à combustible.
La combinaison des résultats expérimentaux avec les modèles théoriques développés à l'Université de Vienne (Autriche) a permis aux chercheurs d'identifier et de décrire en détail les mécanismes sous-jacents.
Rôle clé des oxydes de surface
Les scientifiques ont pu visualiser et analyser chimiquement la cathode dans des conditions réalistes de pile à combustible, c'est-à-dire pendant la réaction électrochimique de réduction de l'oxygène. Pour la première fois, ils ont pu montrer comment la surface de la cathode est modifiée en milieu acide. Plus précisément, ils ont pu démontrer que les protons de l'électrolyte acide réagissent avec le fer de la cathode pour former des oxydes de fer :ces oxydes de fer réagissent ensuite davantage avec des molécules ionomères, améliorant ainsi la conductivité protonique de la cathode et donc les performances globales du combustible. cellule.
"Comme l'oxyde de fer se forme à la surface de la cathode, les molécules ionomères peuvent mieux s'ancrer à la surface et sont en meilleur contact avec la surface du fer. Elles sont donc capables de transporter plus facilement les protons", explique le chercheur du PSI et premier auteur de l'ouvrage. l'étude, Thomas Justus Schmidt.
La compréhension exacte de ces mécanismes complexes peut fournir des informations importantes pour le développement et l'optimisation ultérieurs des piles à combustible, en particulier des piles à combustible basse température très efficaces pour le secteur de la mobilité et les applications stationnaires.
