Les électrodes rainurées peuvent améliorer les performances du proton

LOS ALAMOS, Nouveau-Mexique – Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons constituent une solution énergétique prometteuse pour réduire les émissions de carbone dans le secteur des transports. Comme leur nom l’indique, ces cellules contiennent une membrane conductrice de protons à base de matériaux polymères qui sert d’électrolyte.

Si les PEMFC pourraient présenter des avantages notables, leur coût, leur durabilité et la disponibilité du carburant nécessaire à leur fonctionnement devront s’améliorer avant de pouvoir être mis en œuvre à grande échelle.

Des chercheurs du laboratoire national de Los Alamos ont récemment développé de nouvelles électrodes qui pourraient améliorer considérablement les performances et la durabilité des PEMFC. Ces électrodes, introduites dans Nature Energy, ont une conformation rainurée caractéristique qui peut faciliter le transport de l'oxygène et des protons dans les piles à combustible.

"Nous savions que les performances des électrodes conventionnelles étaient limitées par le transport d'espèces telles que l'oxygène et les protons, et nous avons été inspirés par les travaux historiques de nos collègues du LANL dans les années 1990, qui ont découvert comment combiner un catalyseur de platine sur support carbone avec ionomère conducteur de protons pour obtenir des améliorations majeures des performances », a déclaré Jacob Spendelow, l'un des chercheurs qui ont réalisé l'étude, à Tech Xplore.

« Il est un peu surprenant que, 30 ans plus tard, les électrodes de pointe utilisent toujours essentiellement la même structure. Nous avons donc entrepris de repenser la structure en utilisant une approche de conception rationnelle pour accélérer le transport de l’oxygène et des protons.

Les électrodes rainurées conçues par Spendelow et ses collègues présentent de nombreuses crêtes à l'échelle microscopique, constituées essentiellement d'un catalyseur au platine sur support carbone, séparées par des indentations vides. En raison de leur configuration unique, ils peuvent répartir le transport de l’oxygène et des protons en différentes parties de leur structure.

"Les électrodes conventionnelles nécessitent un transport mixte d'oxygène et de protons à travers toutes les parties de l'électrode, ce qui nécessite certains compromis de conception, car l'ionomère conducteur de protons obstrue le transport de l'oxygène", a expliqué Spendelow. « En revanche, en séparant le transport de l’oxygène et du proton, la conception de l’électrode rainurée permet d’optimiser certaines parties de l’électrode (les rainures) pour le transport de l’oxygène, tandis que d’autres parties (les crêtes) sont optimisées pour le transport des protons. Cette approche « diviser pour régner » permet un transport plus rapide et des performances plus élevées.

Les chercheurs ont évalué leurs électrodes rainurées dans une série de tests effectués dans des conditions de fonctionnement standard pour les piles à combustible. Ils ont découvert que leurs performances étaient jusqu'à 50 % supérieures à celles des électrodes classiques, qu'elles pouvaient faciliter le transport de l'oxygène et améliorer l'uniformité des réactions chimiques. De plus, les électrodes rainurées semblaient plus durables que leurs homologues conventionnelles, car leurs performances n'ont pas autant diminué après un test de corrosion au carbone.

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