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Etude par microscopie électronique de la structure et des mécanismes de dégradation des électrodes de pile à combustible de type PEMFC

Défis technologiques Matière ultra-divisée, physico-chimie des matériaux Physique de l’état condensé, chimie et nanosciences Solutions avancées pour l’hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique

Résumé du sujet

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont principalement développées pour les applications de transport. Au cours de la dernière décennie, des progrès importants ont été réalisés, conduisant à la commercialisation de la première génération de voitures à piles à combustible. Récemment, les efforts de R&D se sont déplacés vers les véhicules lourds, où les PEMFC sont plus compétitives par rapport aux batteries Li-ion. L’utilisation des PEMFC pour les camions va exiger des points de fonctionnement différents mais surtout des durées de vie bien supérieures (25 000h au lieu des 5 000 heures pour les voitures). Pour atteindre ces objectifs, il est indispensable d’optimiser les matériaux et la structure des électrodes mais aussi de mieux comprendre leurs mécanismes de dégradation. Pour progresser sur ces points, la microscopie électronique en transmission et les différentes techniques associées sont devenues des outils indispensables.

Les électrodes des PEMFC sont un matériau nano-poreux composé de grains de carbone (30 nm) supportant des nanoparticules de platine (3 nm) - les catalyseurs des réactions électrochimiques - et liés entre eux par du ionomère (polymère conducteur protonique). Depuis plusieurs années au CEA de Grenoble nous caractérisons finement ces électrodes afin de mieux comprendre les composants qui limitent les performances de la pile et ceux qui se dégradent au cours du fonctionnement. Disposant de microscopes électroniques en transmission parmi les plus performants, nous utilisons différentes techniques avancées (haute résolution, analyse chimique, imagerie 3D…) qui ont récemment fait des progrès impressionnants.

L’objectif de la thèse sera d’utiliser les différentes techniques de microscopie électronique disponibles sur la plateforme de nanocaractérisation du CEA-Grenoble pour étudier la microstructure de l’électrode ainsi que leurs mécanismes de dégradation lors du fonctionnement de la pile. En particulier, la technique de tomographie électronique plus récemment utilisée au laboratoire pour caractériser les électrodes en 3D sera développée.

Cette thèse se déroulera en collaboration étroite avec les autres équipes du CEA-Grenoble qui fabriquent et caractérisent les propriétés électrochimiques des électrodes. Elle s’inscrit dans le cadre d’un projet national qui regroupe de nombreux laboratoires académiques. Un échange avec le Laboratoire National d’Oak Ridge aux états unis pourra aussi être envisagé au cours de cette thèse.

Laboratoire

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)
Service des Technologies Durables pour le Cycle des matières (DRT)
Laboratoire de caractérisations avancées pour l’énergie
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