« Comprendre pourquoi les prototypes actuels de piles à hydrogène se dégradent peut ouvrir la voie à des piles à combustible (PAC) plus durables ». Tel est le postulat de cette nouvelle étude australienne.

Vers des PAC plus durables… et sans platine

Vous vous souvenez peut-être de l’article que nous avions consacré à une équipe de chercheurs de l’UNSW en février dernier ? Eh bien, ils ont encore frappé.

Le professeur Chuan Zhao, le Dr Quentin Meyer et leur équipe s’efforcent d’améliorer l’efficacité et l’accessibilité des PAC à hydrogène afin de promouvoir l’adoption de ce carburant zéro-émission à plus grande échelle. Or, le potentiel de l’hydrogène en tant qu’acteur central d’un avenir décarboné est entravé par la lenteur des progrès de la commercialisation. L’équipe s’attaque donc à des problèmes tels que le coût élevé et la rareté de composants clés comme le platine. Ce dernier étant couramment utilisé comme catalyseur dans les PAC.

« Le platine sera toujours cher, parce qu’on en trouve assez peu », explique le professeur Zhao. « Nous devons donc explorer des solutions de remplacement, tout en offrant un moyen rapide et facile pour mesurer l’efficacité de ces nouveaux matériaux dans les piles à combustible à hydrogène ». L’étude récente du professeur Zhao, publiée dans Energy & Environmental Science, présente une méthode innovante pour évaluer la durabilité et la viabilité d’alternatives rentables du platine, dans le but de faire progresser la technologie des piles à combustible à hydrogène.

Agir sur le coût

Outre la problématique de la poule et de l’œuf, le coût du catalyseur représente également un problème majeur pour l’adoption des PAC. L’une des solutions trouvées consiste à utiliser des alternatives telles que le fer. À titre comparatif, un kilo de platine coûte entre 45.000 et 100.000 dollars australiens (entre 27.000 et 60.000 euros). Selon M. Liu, un kilo de fer ne coûte que 0,1 dollar australien (moins de 6 centimes d’euros). Il souligne qu’un « matériau particulièrement prometteur est le fer-azote-carbone, également connu sous le nom de Fe-N-C ».

Néanmoins, ces nouveaux substituts du platine sont bien moins stables que leur homologue et ils se décomposent plus rapidement dans les PAC. « Alors que les piles à combustible à base de platine peuvent durer jusqu’à 40 000 heures (environ 4 ans et demi d’utilisation continue), les matériaux fer-azote-carbone ne peuvent fonctionner que 300 heures (environ 2 semaines d’utilisation continue), dans le meilleur des cas », explique le Dr Meyer.

De nouvelles méthodes pour analyser la stabilité des PAC

Pour relever les défis existants, l’équipe de recherche a mis au point une méthode permettant de comprendre l’instabilité des matériaux catalytiques par rapport au platine. À travers trois nouvelles méthodes, l’équipe a pu déterminer la stabilité d’une pile à combustible sans platine et les raisons de cette stabilité. Cette approche peut d’ailleurs être facilement adoptée par d’autres scientifiques pour améliorer l’efficacité de leurs PAC et de leurs catalyseurs. Leurs conclusions ont révélé qu’environ 75 % des sites actifs à base de fer deviennent inactifs au cours des 10 premières heures de fonctionnement de la pile à combustible. Ensuite, c’est la corrosion du carbone qui devient le principal mécanisme de dégradation. Ce suivi détaillé des mécanismes de dégradation devrait permettre le développement de matériaux plus stables et contribuer à un avenir plus prometteur pour les catalyseurs sans platine.

L’équipe développe actuellement un catalyseur dans lequel elle combine différents métaux afin d’accroître la stabilité du catalyseur. Elle se concentre également sur les moyens d’accroître l’évolutivité du catalyseur de pile à hydrogène sans platine et bon marché.

Peut-être que les PAC sans platine alimenteront déjà des véhicules d’ici quelques années, qui sait ?

Pour plus d’informations, vous pouvez lire l’article de la UNSW (en anglais) ici.

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Photo : Devant, de gauche à droite : Shiyang Liu, le professeur Zhao et Quentin Meyer. Derrière, de gauche à droite : Dr Chen Jia, Shuhao Wang et Yan Nie.

Référence : S. Liu, Q. Meyer (coauteur), C. Jia, S. Wang, C. Rong, Y. Nie, C. Zhao, Operando deconvolution of the degradation mechanisms of iron-nitrogen-carbon catalysts in proton exchange membrane fuel cells, Energy & Environmental Science, 2023, 10.1039/D3EE01166F