Le coût et la durabilité sont deux obstacles majeurs à la production et à la commercialisation massives des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Les électrocatalyseurs sont les principaux responsables du rendement limité, du coût élevé et de la durabilité insuffisante des PEMFC. Actuellement, seuls les catalyseurs coûteux au platine ou à base de platine sont conçus pour assurer les réactions électrochimiques dans un milieu doté de PEMFC.

La stabilité du catalyseur est l’un des principaux facteurs limitant la durabilité des PEMFC. Par conséquent, l’amélioration de la stabilité représente un grand progrès vers la réalisation de PEMFC commercialement viables. Résultat : la réalisation d’électrocatalyseurs à haut rendement, rentables et durables représente un ensemble de priorités essentielles de la recherche et du développement (R et D) des PEMFC.

Capacités essentielles

• Réaction de réduction d’oxygène
• Domaines d’intérêt particulier
• Création de catalyseurs

Création de catalyseurs RRO

Dans une pile PEMFC, la réaction de réduction de l’oxygène (RRO) à la cathode est un processus cinétiquement lent qui régit le rendement global d’une pile à combustible. D’où l’intérêt de l’équipe de R et D sur l’électrocatalyse des PEMFC, pour la création de catalyseurs actifs opérant cette réaction. En général, deux grandes méthodes sont à l’étude pour traiter les problèmes liés à la lenteur, au coût élevé et à l’instabilité de la RRO :

Réduire la charge de platine dans les couches catalytiques des PEMFC, tout en maintenant un rendement élevé.

Étudier la conception de catalyseurs à métal non noble beaucoup moins coûteux, mais offrant le rendement nécessaire dans les conditions d’utilisation des PEMFC.

Domaines d’intérêt particulier

À l’IIPC-CNRC, l’équipe chargée des catalyseurs s’occupe de plusieurs projets axés sur la conception de catalyseurs pour les PEMFC. Ce travail concerne principalement la création des éléments suivants :

catalyseur en forme de fleur

• Catalyseurs à métal non noble, peu coûteux et d’un rendement suffisant, au moyen de stratégies de pointe autonomes basées sur l’utilisation de ligands, pour opérer des percées dans ce domaine, en vue d’un développement soutenu des technologies concernant les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MEP);
• Supports de catalyseur novateurs, conducteurs, sans carbone et résistants à la corrosion, avec leurs catalyseurs correspondants supportés par des matériaux de sélection céramiques (par exemple : carbure, nitrure, phosphure, oxyde), pour traiter la durabilité de catalyseurs de pile à combustible à MEP;
• Catalyseurs rentables à haut rendement, en alliage de platine, au moyen de stratégies basées sur de nouveaux supports en carbone, et sur des alliages à structure coeur-écorce qui répondent aux besoins de l’industrie des piles à combustible pour la commercialisation à court terme de PEMFC;
• Méthodes basées sur la chimie computationnelle, pour la modélisation théorique de l’activité et de la stabilité des supports de catalyseur/catalyseur, en vue de la conception et de la sélection progressive d’un nouveau support de catalyseur/catalyseur.

Création de catalyseurs

Depuis 2004, l’équipe de spécialistes de la catalyse a créé plusieurs douzaines de catalyseurs, notamment des macrocycles à métal de transition (Co-TMPP/C, Co-PPY/C, Fe-N4/C, Mo-N/C, Fe-TPTZ ), des chalcogénures (Ir-Se/C, Ir-Co/C, W-Co-Se/C), des alliages à métal noble (PtBi2, Pt-Co creux, Pt-Ru-Ir-Sn/C, Pd-Co/C), ainsi que de nouveaux catalyseurs en alliage de platine et de platine-cobalt, avec un nouveau support structuré au carbone (sphère de carbone mésoporeux).

Cette équipe de vingt chercheurs spécialisés dans la catalyse a également créé un certain nombre de capacités exceptionnelles, notamment plusieurs technologies de synthèse chimiques et physiques; par exemple, une méthode par micro-ondes-polyol et une méthode par pulvérisation pyrolytique aux ultrasons assistée par gabarit, pour la synthèse novatrice d’un catalyseur et d’un support catalytique. En outre, l’équipe a créé une série de méthodes complexes à base d’instruments (XRD, XPS, MET, MBE, etc.) et des systèmes de mesure électrochimique (CV, RDE/RRDE, impédance c.a. et techniques voltamétriques de désorption du carbone) pour la morphologie et la caractérisation de la structure et de l’activité des catalyseurs.

Pour plus de renseignements, veuillez consulter notre fiche technique Sphère de carbone poreux fabriquée par pulvérisation pyrolytique aux ultrasons (l’accès exige le lecteur Adobe Acrobat).