Published September 24, 2012 | Version v1
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nanocomposite electrodes for proton exchange membrane fuel cell at high temperature

Description

The objective of this work was to develop alternative suitable materials to increase operating temperature of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell. The increase of the operating temperature (150 - 250 deg. C) is attractive for cost reduction and reliability in terms of reaction kinetics, catalyst tolerance, heat rejection and water management. Our work was focused on tungsten carbide which has a high electrical conductivity and exhibits a significant catalytic activity for hydrogen oxidation and oxygen reduction in acidic environment. We have reported a novel approach to produce tungsten carbide microspheres (TCM) with a high surface area (68 m2.g-1 including only 4 % of residual carbon) and an unusual architecture. Platinum nanoparticles were prepared by polyol method and were then deposited on TCM. Physical, chemical as well as electrochemical characterisations of WC supported platinum nanoparticles Pt/WC are described and discussed in comparison with a platinum electrocatalyst on a commercial carbon support (Vulcan XC-72R). Membrane Electrode Assembly was then prepared by coating - decal process, and characterised by single cell test and compared to conventional Pt/C assembly. Phosphoric acid doped polybenzimidazole PBI(H3PO4) was used as electrolyte to replace Nafion membrane in order to carry out fuel cell testing at higher temperature. (author)

Abstract (French)

Ces travaux de these s'inscrivent dans le contexte des efforts de recherches menes pour proposer des materiaux susceptibles de lever les verrous technologiques au developpement des piles a combustible a membrane. L'un de ces enjeux est l'augmentation de la temperature de fonctionnement (150 - 250 deg. C) afin d'ameliorer les cinetiques reactionnelles permettant une diminution de la quantite de catalyseur ainsi qu'une simplification de la gestion de l'eau, une reduction du systeme de refroidissement et une meilleure resistance a l'empoisonnement au monoxyde de carbone du platine. La motivation de cette etude a ete de substituer au carbone un materiau support de catalyseur avec une plus grande resistance electrochimique. Notre choix s'est porte sur le carbure de tungstene qui, en plus d'une conductivite electronique elevee, presente une activite catalytique pour l'oxydation de l'hydrogene et la reduction de l'oxygene en milieu acide. La mise au point d'une methode de synthese innovante par voie hydrothermale a permis l'elaboration de microspheres de carbure de tungstene (MCT) de surface specifique elevee (68 m2.g-1 avec 4 % de carbone residuel) et d'architecture inusuelle. Des nanoparticules de platine de taille controlee ont ete preparees par methode polyol afin d'etre deposees en surface des MCT. Apres caracterisations electrochimiques ex-situ couplees a des analyses de surface (XPS) de ces catalyseurs Pt/WC, la mise en forme d'electrodes par enduction et transfert sur la membrane a permis la realisation d'assemblages membrane - electrode et leurs caracterisations en pile a combustible. Des membranes polybenzimidazole dope acide phosphorique (PBI-H3PO4) ont ete utilisees pour remplacer les membranes Nafion afin d'augmenter la temperature de fonctionnement. (auteur)

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Original title (French)
Synthese, caracterisation et mise en forme d'electrodes nanocomposites platine / carbure de tungstene pour les piles a combustibles a membrane haute temperature

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Imprint Pagination
234 p.
Report number
FRNC-TH--13132

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Notes
274 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses