Le paysage mondial de l'énergie et des transports évolue rapidement, un stockage intelligent de l'énergie venant compléter les énergies renouvelables. Les piles à combustible constituent un maillon important de l'infrastructure énergétique intelligente. En effet, elles apportent une production d'énergie localisée pour les applications stationnaires et mobiles. Dans le secteur des transports en particulier, les voitures électriques alimentées par des piles à combustible hydrogène sont de plus en plus largement acceptées et auront bientôt le potentiel de rivaliser avec les voitures électriques alimentées par batterie. Les voitures à piles à combustible ont l'avantage de pouvoir être chargées rapidement, contrairement aux voitures alimentées par batterie qui nécessitent au moins 30 minutes pour une charge totale. 

De plus, contrairement aux batteries lithium-ion actuelles, les matériaux des électrodes de piles à combustible n'utilisent aucun élément toxique.
 
Nos solutions d'analyse répondent aux nombreux problèmes de développement et d'optimisation des piles à combustible, tels que la stabilité des polymères dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), les changements de structure in situ dans les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et l'efficacité des catalyseurs. En particulier, nos instruments peuvent analyser la manière dont le platine supporté sur du carbone (noir de platine), utilisé comme catalyseur pour les réactions électrochimiques dans les anodes et cathodes PEMFC, affecte l'efficacité de la pile à combustible. L'efficacité d'une pile à combustible pour une charge de platine donnée repose sur des paramètres essentiels : la taille des particules de platine, la taille des agrégats de carbone et la formulation de l'encre catalytique qui régit la micro et la macrostructure de la couche catalytique. L'analyse de ces facteurs aide les fabricants à développer les piles à combustible les plus efficaces possible.

Comment puis-je garantir une activité spécifique élevée dans mon catalyseur de pile à combustible ?

Les PEMFC s'appuient sur des catalyseurs de platine coûteux, à la fois pour les réactions d'oxydation de l'hydrogène et les réactions de réduction de l'oxygène. La taille des particules de platine, qui sont dispersées sur un support carbone, affecte directement l'activité catalytique. Les particules de platine plus petites et bien dispersées ont une plus grande surface et donc une meilleure activité spécifique et une meilleure efficacité de conversion des protons pour une charge de platine donnée.

Cependant, les particules plus petites peuvent augmenter en fonction de l'utilisation de la pile à combustible à des températures élevées, en raison de la coalescence par migration ou croissance des cristaux par mûrissement d'Ostwald modifié, selon la microstructure de la matrice de carbone de support. La microstructure des agrégats de carbone joue également un rôle important au niveau de l'efficacité du transport ionique. Par conséquent, la taille des particules de platine et la taille des agrégats de carbone jouent toutes les deux un rôle important dans l'optimisation de l'activité du catalyseur dans les électrodes de piles à combustible.

Comment puis-je mesurer la taille des particules de platine ?

Les mesures de la taille des cristallites par la diffraction des rayons X (XRD) peuvent être utilisées pour estimer la taille des particules de platine. En effet, dans les nanoparticules métalliques qui mesurent généralement entre 1 et 10 nm, la taille des cristallites est probablement la même que la taille des particules. Cette mesure peut être effectuée avec précision sur un diffractomètre compact tel que notre Aeris XRD facile à utiliser. Plus précisément, l'Aeris peut être utilisé pour le frittage in situ afin de comprendre comment les particules de platine grossissent avec la température de frittage. Cela permet alors d'obtenir une analyse plus précise de l'activité du catalyseur dans les PEMFC.

Une autre méthode de mesure directe de la taille des particules de platine est la diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS). L'analyse SAXS seule, ou l'analyse SAXS et XRD en association avec le frittage in situ, peut être effectuée sur notre plateforme XRD Empyrean, afin de comprendre comment la taille et le grossissement des particules de platine affectent l'efficacité des piles à combustible.

Comment puis-je mesurer la taille des agrégats de carbone ?

Les particules de carbone dans les catalyseurs de piles à combustible peuvent s'agglomérer de 0,5 à 5 µm, en prenant des formes très allongées. L'analyse de ces formes aide les développeurs de piles à combustible à optimiser leur efficacité. Pour ce faire, la diffraction laser est une technique non destructive pour mesurer des particules de ces tailles et comparer la distribution de la taille des particules dans différents échantillons. Notre Mastersizer 3000 est la référence de l'industrie en matière de mesure de la taille des particules par diffraction laser. Les échantillons peuvent être mesurés sous forme de poudres sèches ou de dispersion de slurry.

Une autre méthode de mesure des agrégats de carbone est la diffusion dynamique de la lumière (DLS). La DLS mesure la taille des particules en analysant le mouvement brownien des particules dispersées dans un liquide. Les particules plus grandes se déplacent lentement tandis que les particules plus petites se déplacent plus rapidement. La DLS est très précise pour la plage de taille des particules de carbone de 1 à 1 000 nm, dans laquelle les particules ne sédimentent pas en raison de la gravité. Notre Zetasizer est l'instrument idéal pour mesurer la taille des agrégats de carbone dans le slurry à l'aide de la DLS. De plus, le Zetasizer peut également mesurer le potentiel zêta pour déterminer la tendance des particules à former de grands agrégats.

Comment puis-je mesurer la stabilité de l'encre catalytique ?

Dans l'encre catalytique, les particules de platine supportées sur du carbone, ainsi que les ionomères, sont dispersées dans un liquide et ont généralement une charge de surface. L'agrégation de ces particules peut entraîner un revêtement non uniforme, générant une résistance élevée lors du transport des ions. Cela peut être analysé et évité en mesurant le potentiel zêta, qui est lié à la charge de surface. Les particules à fort potentiel zêta (plus de 30 mV) sont repoussées et sont moins susceptibles d'être agglomérées, produisant des encres plus stables. 

Le Zetasizer peut non seulement mesurer la taille des particules, mais aussi le potentiel zêta. Plus précisément, il est adapté à la mesure d'échantillons électroconducteurs tels que l'encre catalytique à l'aide d'une cellule spécialisée qui mesure des échantillons à forte concentration. Cela permet aux développeurs de produire des encres plus stables, et d'optimiser ainsi l'efficacité des piles à combustible.

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