Une nouvelle percée en R et D annonce l'arrivée d'assemblages de piles à combustibles plus efficaces et plus durables

Toyota City, Japon, le 18 mai 2015 – Une percée réalisée dans l’observation en temps réel de la dégradation des catalyseurs de pile à combustible pourrait mener au développement d'une nouvelle génération d'assemblages de piles à combustibles plus efficaces et plus durables.

Toyota Motor Corporation et Japan Fine Ceramics Center (JFCC) ont mis au point une nouvelle technique d'observation qui permet aux chercheurs de surveiller le comportement des nanoparticules de platine lors des réactions chimiques à l'intérieur des piles à combustible; ainsi, les processus menant à une réaction catalytique réduite peuvent être observés.

Le platine est un catalyseur essentiel aux réactions chimiques à l'origine de la production d'électricité entre l'oxygène et l'hydrogène des assemblages de piles à combustible. La réactivité réduite est le résultat de la « granocroissance » des nanoparticules de platine – un processus au cours duquel les nanoparticules voient leur taille croître et leur surface diminuer. Jusqu'à maintenant, il n'était pas possible d'observer les processus menant à cette granocroissance, d'où la difficulté d'en étudier les causes fondamentales.

La nouvelle méthode d'observation pourrait permettre de découvrir les points où le platine devient plus granuleux sur son support de carbone, ainsi que le niveau de tension produite pendant le processus de granocroissance. Cette méthode peut aussi aider à déterminer les différentes caractéristiques des divers types de matériaux de support. Cette analyse tous azimuts peut guider les efforts de R et D visant à améliorer le rendement et la durabilité du catalyseur en platine et de l'assemblage de piles à combustible.

Contexte des activités de recherche

Les piles à combustible produisent de l'électricité grâce à la réaction de l'hydrogène qu'elles contiennent avec l'oxygène ambiant. Plus précisément, chaque pile génère de l'électricité à la suite de la réaction chimique entre chaque cathode d'oxygène et chaque anode d'hydrogène, l'eau étant le sous-produit de cette réaction.

Pendant cette réaction chimique, les molécules d'hydrogène se séparent en électrons et en ions d'hydrogène au niveau de l'anode d'hydrogène, là où le catalyseur en platine écarte les électrons de la molécule d'hydrogène. Ces électrons circulent jusqu'à la cathode d'oxygène pour produire l'électricité servant à alimenter le moteur électrique. De leur côté, les ions d'hydrogène traversent une membrane en polymère pour rejoindre la cathode d'oxygène, où de l'eau est générée comme sous-produit de l'exposition des ions d'hydrogène et des électrons à l'oxygène ambiant.  Le platine agit aussi comme le catalyseur de cette réaction.

Le platine est essentiel pour qu'une pile à combustible puisse produire de l'électricité, et son rôle est crucial pour augmenter l'efficacité avec laquelle une pile à combustible produit de l'électricité.

Cependant, le platine est cher et rare. Par ailleurs, tandis que l'électricité est produite, les nanoparticules de platine deviennent plus granuleuses, ce qui diminue le rendement de la pile à combustible. Or, pour prévenir cette granocroissance et préserver le rendement catalytique, on doit identifier le comportement sous-jacent du processus de granocroissance. Toutefois, vu la taille minuscule des nanoparticules de platine, une telle observation est difficile si l'on emploie des méthodes classiques.

Éléments de la nouvelle technique d'observation

La méthode classique d'observation des nanoparticules de platine consiste à établir une comparaison à un point fixe des particules de platine avant puis après la réaction chimique. Grâce à cette méthode, on a découvert qu'après la réaction chimique les nanoparticules de platine sont plus granuleuses et leur réactivité est réduite. Mais on ne peut qu'émettre des hypothèses sur les causes de cette diminution, car il est impossible d'observer les processus comportementaux menant à la granocroissance.

Par contraste, la nouvelle technique d'observation fait appel à un nouvel échantillon réduit et observable qui peut simuler l'environnement et les conditions exactes qui règnent à l'intérieur des piles à combustible. Cette technique, à laquelle s'ajoute une nouvelle méthode de mise sous tension des échantillons montés à l'intérieur d'un microscope électronique à transmission, permet d'observer le processus de granocroissance en temps réel à toutes les étapes de production d'électricité. Un microscope électronique à transmission est un appareil permettant d'observer et d'analyser des matières à l'échelle atomique (0,1 nm).

Les images ci-dessous montrent la granocroissance des nanoparticules de platine