Améliorer les piles à combustible
22/09/09

Gels de carboneNathalie Job est partie de deux molécules très simples, le résorcinol et le formol qu'elle a fait polymériser ensemble dans un solvant, de l'eau. Elle a ainsi obtenu un polymère qui a une structure tridimensionnelle. Ce matériau solide imbibé d'eau a été séché et pyrolysé. Elle a ainsi obtenu un carbone de structure régulière, très contrôlable, composé de nodules de carbone sphériques interconnectés comme des colliers de perle. Un vrai solide dont on peut modifier la taille des nodules en changeant le pH de la solution de départ, et ce dans une très large gamme de tailles, de quelques nanomètres à quelques microns. La taille des espaces vides qui subsistent entre ces nodules dépend évidemment de la taille des nodules eux-mêmes, donc du pH de la solution. Cela signifie qu'on dispose d'un matériau dont on peut adapter la porosité de manière reproductible et voulue.

C'est ce matériau qui va être utilisé comme support du catalyseur de la pile à combustible. L'essentiel se joue à l'interface de la cathode. C'est l'endroit où l'oxygène de l’air va être réduit, réaction qui pose le plus de problèmes. C'est aussi un endroit clé puisque c'est par là que l'eau qui se forme lors de la réaction doit être évacuée. La cathode est donc en fait un système complexe qu'on peut décomposer en plusieurs parties: la membrane ou électrolyte (dans le cas étudié, c'est du Nafion®) puis une couche catalytique (le gel de carbone imprégné de platine) et une couche de diffusion (un tissu de fibres de carbone) qui permet de répartir l'air sur toute la surface de la couche catalytique. De l’autre côté de la membrane, on accole l’anode, composée elle-aussi d’une couche catalytique platine/carbone et d’une couche de diffusion. Ces cinq couches sont pressées ensemble pour constituer une cellule électrochimique unitaire, enserrée entre deux plaques collectrices d’électrons en graphite gravées de canaux permettant l’arrivée des gaz. Ce montage se répète autant de fois qu'il y a d'unités dans la pile. On comprend dès lors mieux l'importance d'avoir une couche catalytique fiable, maîtrisable et reproductible. Le gros problème des systèmes actuels, c'est que la liaison membrane-couche catalytique fonctionne mal: peu de particules de platine sont connectées à la membrane. «C'est pour cette raison, explique Nathalie Job, qu'il faut beaucoup de platine dans les électrodes des piles: il arrive que les 9/10èmes ne servent à rien, ils ne sont pas connectés à la membrane». Pour avoir suffisamment de platine connecté, il faut en mettre beaucoup, ce qui augmente le coût des électrodes. Les matériaux mis au point dans le laboratoire liégeois, grâce à la maîtrise de la taille des pores, permettent non seulement une amélioration de la circulation des matières, gaz et liquides, mais permettent aussi un meilleur contact, une plus grande connectivité entre la membrane et le platine. C'est plus homogène.

Résultats? «Pour les électrodes actuellement disponibles dans le commerce, il faut 0,6 mg de platine par cm² d'électrode. Nous sommes descendus à 0,2 ou 0,3 mg/cm² pour des quantités de courant produit équivalentes, se réjouit Nathalie Job.»

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