Piles à combustible : Processus d'oxydation de l'acide phosphorique révélé par les rayons X tendres
Options pour augmenter la durée de vie et l'efficacité des piles à combustible
Les interactions entre l'acide phosphorique et le catalyseur en platine dans les piles à combustible PEM à haute température sont plus complexes qu'on ne le pensait. Des expériences menées à BESSY II avec des rayons X tendres ont permis de décoder les multiples processus d'oxydation à l'interface platine-électrolyte. Les résultats indiquent que les variations d'humidité peuvent influencer certains de ces processus afin d'augmenter la durée de vie et l'efficacité des piles à combustible.
L'illustration montre quatre voies d'oxydation différentes (1-4) de l'acide phosphorique aqueux (H3PO3), qui ont pu être élucidées par XANES à BESSY II. Toutes ces réactions dépendent de l'humidité présente.
© HZB
Les piles à hydrogène convertissent l'énergie chimique de l'hydrogène en énergie électrique par des réactions séparées des combustibles hydrogène et des agents oxydants (oxygène). Parmi les piles à hydrogène, les piles à membrane électrolytique polymère à haute température (HT-PEMFC) sont intéressantes pour les sources d'électricité micro-stationnaires. L'un des inconvénients de ces HT-PEMFC est que le conducteur de protons, l'acide phosphorique (H3PO4), s'échappe de la membrane de polybenzimidazole dopée au H3PO4 et empoisonne le catalyseur en platine. Des études récentes montrent d'autres complications pendant le fonctionnement de la HT-PEMFC, où une partie du H3PO4 peut être réduite en H3PO3, ce qui peut empoisonner davantage les catalyseurs en platine, conduisant à une perte significative de performance.
Processus et interactions complexes
Une étude antérieure réalisée par l'équipe du professeur Marcus Bär a montré que des processus opposés se produisent également à l'interface entre le platine et le H3PO3 aqueux et que les interactions entre le catalyseur en platine et le H3PO3/H3PO4 sont très complexes : alors que le H3PO3 peut entraîner l'empoisonnement du catalyseur en platine, le platine peut en même temps catalyser l'oxydation du H3PO3 qui se transforme à nouveau en H3PO4.
Expériences dans des conditions réalistes
Afin d'étudier le comportement d'oxydation du H3PO3 aqueux dans des conditions proches des conditions de fonctionnement des HT-PEMFC, l'équipe de Bär a analysé les processus chimiques en utilisant une cellule électrochimique chauffante conçue à l'intérieur et compatible avec les études in situ aux rayons X dans la station finale OÆSE récemment mise en place dans le laboratoire in situ des matériaux énergétiques de Berlin (EMIL). Ils ont utilisé des rayons X intenses dans la gamme d'énergie des rayons X tendres (2 keV - 5 keV), qui est fournie par la ligne de faisceaux EMIL à la source de rayons X BESSY II. Dans cette gamme d'énergie, la spectroscopie d'absorption des rayons X (XANES) à l'interface P-K est utilisée pour surveiller les processus d'oxydation de H3PO3 en H3PO4.
Différentes réactions d'oxydation examinées
"Nous avons ainsi découvert différents processus pour cette réaction d'oxydation, notamment l'oxydation chimique catalysée par le platine, l'oxydation électrochimique sous un potentiel positif à l'électrode de platine et l'oxydation favorisée par la chaleur. Ces résultats spectroscopiques in situ sont également confirmés par la chromatographie d'échange d'ions et les caractérisations électrochimiques in situ ", explique Enggar Wibowo, premier auteur de l'étude et candidat au doctorat dans l'équipe de Bär. "Il est remarquable de constater que toutes ces voies d'oxydation impliquent des réactions avec l'eau, ce qui montre que l'humidité à l'intérieur de la pile à combustible a une influence significative sur ces processus".
L'humidité comme facteur d'amélioration
En outre, les résultats indiquent qu'il est possible d'améliorer les conditions de fonctionnement des piles à combustible HT-PEM, par exemple en contrôlant l'humidification pour oxyder le H3PO3 en H3PO4. "Des ajustements correspondants des conditions de fonctionnement des HT-PEMFC pourraient être mis en œuvre pour prévenir l'empoisonnement du catalyseur par le H3PO3 et améliorer l'efficacité de ces piles à combustible", souligne M. Wibowo.
Perspectives pour BESSY III
"Ces travaux clarifient une voie de dégradation essentielle des piles à combustible et constituent une contribution à l'approvisionnement en énergieà base d'H2", déclare le professeur Marcus Bär, docteur en sciences de l'ingénieur. "Il montre également le grand avantage des rayons X de l'appel d'offres, et nous attendons avec impatience BESSY III, qui vise à combler le fossé des "rayons X de l'appel d'offres"", ajoute-t-il.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Romualdus Enggar Wibowo, Raul Garcia-Diez, Tomas Bystron, Marianne van der Merwe, Martin Prokop, Mauricio D. Arce, Anna Efimenko, Alexander Steigert, Milan Bernauer, Regan G. Wilks, Karel Bouzek, Marcus Bär; "Elucidating the Complex Oxidation Behavior of Aqueous H3PO3 on Pt Electrodes via In Situ Tender X-ray Absorption Near-Edge Structure Spectroscopy at the P K-Edge"; Journal of the American Chemical Society, Volume 146, 2024-3-9
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