Vers une amélioration du rendement et de la longévité des piles à combustibles

L’observation en temps réel de la dégradation d’un catalyseur de pile à combustible vient de connaître une avancée décisive, qui pourrait déboucher sur une nouvelle génération de piles au rendement et à la longévité supérieurs.

Toyota Motor Corporation et le Japan Fine Ceramics Center (JFCC) ont mis au point une technique d’observation inédite qui permet aux chercheurs de suivre l’évolution de particules nanométriques de platine lors des réactions chimiques en jeu dans une pile à combustible (PAC), de manière à observer les processus qui diminuent la réactivité catalytique.

Le platine est un catalyseur essentiel aux réactions chimiques entre l’oxygène et l’hydrogène, productrices d’électricité. La baisse de réactivité découle du grossissement des nanoparticules de platine, c’est-à-dire l’augmentation de leur taille au détriment de leur surface spécifique (surface tenant compte des aspérités). Mais jusqu’alors, les mécanismes à l'origine de ce grossissement n'avaient jamais été observés, ce qui compliquait l'analyse des causes premières du phénomène.

Cette nouvelle méthode d’observation permet de mettre en évidence les points du support carboné où le platine forme des grains plus grossiers, ainsi que le niveau de tension obtenu au cours du processus. Elle aide aussi à déterminer les caractéristiques des différents types de matériaux employés comme support. Cette analyse multiforme pourrait ouvrir une voie de recherche en vue d’améliorer les performances et la longévité du platine catalyseur, et donc des PAC.

État des lieux de la recherche

Une pile à combustible produit de l’électricité par réaction chimique entre l’hydrogène du réservoir et l’oxygène de l'air. Plus précisément, dans chaque élément de la pile, l’oxygène présent à la cathode réagit avec l’hydrogène injecté à l’anode, moyennant un sous-produit : l’eau.


Lors de la réaction chimique, les molécules d’hydrogène se dissocient en électrons et en ions hydrogène à l’anode, où le platine catalyseur arrache les électrons de la molécule d’hydrogène. Ceux-ci migrent alors jusqu’à la cathode (côté oxygène), ce qui génère l’électricité nécessaire à l’alimentation du moteur électrique. Pendant ce temps, les ions hydrogène traversent une membrane en polymère pour atteindre la cathode où ils entrent en contact (ainsi que les électrons) avec l'oxygène de l'air pour former de l’eau. Là encore, le platine accélère la réaction.

Le platine joue donc un rôle crucial dans la production d’électricité par les PAC, dont il augmente le rendement.

Cependant, il s’agit d’un matériau rare et cher. De plus, à mesure de la production d’électricité, les nanoparticules de platine tendent à grossir, ce qui diminue la puissance fournie. Aussi, pour préserver les performances du catalyseur en prévenant ce phénomène, il importe d’en comprendre les raisons. Mais la taille minuscule de ces particules les rend difficilement observables par les moyens conventionnels.

Une nouvelle technique d’observation

En effet, la méthode classique d’observation des nanoparticules consiste à les comparer en un point donné avant et après la réaction. Cette technique a permis de découvrir qu’après la réaction, elles sont plus grosses et moins réactives. Mais la cause de cette chute de réactivité restait jusqu'à présent du domaine de l’hypothèse, car on ne parvenait pas à observer les mécanismes en jeu lors du grossissement.

La nouvelle technique d’observation, elle, utilise un échantillon observable plus petit, capable de simuler précisément l’environnement et les conditions rencontrés au sein même d’une pile à combustible. Elle s’appuie sur un procédé inédit : l’application d’une tension à l'échantillon placé dans un microscope électronique à transmission. Il devient alors possible de suivre le grossissement en temps réel, à mesure de la production d'électricité. Ce type de microscope permet d’observer et d’analyser des matériaux de taille atomique (0,1 nanomètre soit un dix-millionième de millimètre).


La ligne pointillée montre le grossissement de nanoparticules de platine placées sur un substrat carboné. Elles se déplacent et s’agglutinent pour former des grains plus grossiers.

Source : Information Presse Toyota France (R.P.2015-71)