Les piles à combustible au peroxyde d’hydrogène sans membrane, une source d’énergie propre prometteuse

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui utilise du carburant et de l’oxydant pour convertir les produits chimiques en énergie électrique. Les FC ont une efficacité de conversion d’énergie plus élevée que les moteurs à combustion traditionnels car ils ne sont pas liés par le cycle de Carnot¹. En utilisant des carburants tels que l’hydrogène (H 2)₂, le borohydrure-hydrogène (NaBH 4)3 et l’ammoniac (NH ³)₄, les FC sont devenus une source d’énergie prometteuse qui est propre sur le plan environnemental et peut atteindre des performances élevées, offrant un potentiel important pour réduire la dépendance humaine aux combustibles fossiles. Cependant, la technologie FC est confrontée à des défis spécifiques. L’un des problèmes les plus courants est le rôle interne d’une membrane échangeuse de protons (PEM) dans le système FC, qui agit comme une protection contre les courts-circuits internes. L’intégration d’une membrane électrolytique contribue à l’augmentation des coûts de fabrication, de la résistance du circuit interne et de la complexité architecturale⁵. De plus, la transformation de FC à compartiment unique en réseaux multi-piles introduit des complications supplémentaires en raison du processus complexe d’intégration des canaux d’écoulement, des électrodes et des plaques pour améliorer les sorties de puissance et de courant⁵.

Au cours des dernières décennies, des efforts concertés ont été déployés pour relever ces défis liés aux membranes et rationaliser le système FC. Notamment, l’émergence de configurations FC sans membrane utilisant des co-flux laminaires à faible nombre de Reynold a offert une solution innovante. Dans de telles configurations, l’interface entre deux écoulements fonctionne comme une membrane conductrice de protons^{« virtuelle » 6}. Les FC à écoulement laminaire (LFFC) ont été largement étudiés, tirant parti des avantages de la microfluidique 7,8,9,10. Cependant, les LFFC nécessitent des conditions strictes, notamment un apport d’énergie élevé pour le pompage de carburants/oxydants laminaires, l’atténuation du croisement des réactifs dans les flux fluidiques et l’optimisation des paramètres hydrodynamiques.

Récemment, H 2 O 2 a suscité de l’intérêt en tant que combustible et oxydant potentiel en raison de sa nature neutre en carbone, produisant de l’eau (H 2 O) et de l’oxygène (O₂) pendant les processus d’électrooxydation et d’électroréduction aux électrodes^11,12. H2 O₂ peut être produit en masse à l’aide d’un procédé de réduction à deux électrons ou d’un procédé d’oxydation à deux électrons à partir de l’eau¹². Par la suite, contrairement à d’autres combustibles gazeux, le carburant liquide_H2O₂ peut être intégré dans l’infrastructure d’essence existante ⁵. De plus, la réaction de disproportion _H2O 2 permet de servir H 2 O₂à la fois comme combustible et comme oxydant. La figure 1A montre une structure schématique de l’architecture d’un FC H 2 O₂facile. Par rapport aux FC traditionnels ^2,3,4, le H 2 O ₂FC utilise les avantages de la « simplicité » de l’appareil. Yamasaki et al. ont démontré que les FCH 2 O₂ sans membrane jouent à la fois le rôle de carburant et d’oxydant. Le mécanisme décrit de la production d’énergie électrique a incité les communautés de recherche à poursuivre dans cette direction de recherche⁶. Par la suite, les mécanismes d’électrooxydation et d’électroréduction utilisant H 2 O₂comme combustible et oxydant ont été représentés par les réactions suivantes^13,14

En milieu acide :

Anode : H 2O 2 → O₂ + 2H⁺ + 2E^– ; E_a1 = 0,68 V vs. SHE
Cathode : H 2 O 2 + 2H⁺ + 2e^– → 2H₂ O ; E_a2 = 1,77 V vs. ELLE
Total : 2 H 2 O 2 → 2H 2 O +_{O 2}

Dans les médias de base :

H 2 O 2 + OH- → HO 2^– + H ₂ O
Anode : HO 2- + OH- → O 2 + H₂O + 2e^– ; E_b1 = 0,15 V vs. ELLE
Cathode : HO 2– + H₂O + 2e- → 3OH^– ; E_b2 = 0,87 V vs. ELLE
Total : 2 H 2 O 2 → 2H 2 O +_{O 2}

La figure 1B illustre le principe de fonctionnement des FC H 2 O₂. H 2 O₂donne des électrons à l’anode et accepte des électrons à la cathode. Le transfert d’électrons entre l’anode et la cathode se fait par l’intermédiaire d’un circuit externe, ce qui entraîne la production d’électricité. Le potentiel théorique en circuit ouvert (OCP) deH 2 O₂ FC est de 1,09 V dans les milieux acides et de 0,62 V dans les milieux basiques¹³. Cependant, de nombreux résultats expérimentaux ont montré des valeurs inférieures, atteignant jusqu’à 0,75 V dans les milieux acides et 0,35 V dans les milieux basiques, par rapport à l’OCP théorique. Cette observation peut être attribuée à la présence d’un potentiel mixte¹³. De plus, la puissance et le courant de sortie des FC H 2 O 2 ne peuvent pas rivaliser avec les FC mentionnés ^2,3,4 en raison de la sélectivité catalytique limitée des électrodes. Néanmoins, il convient de noter que la technologie actuelle des FC H 2 O 2 peut surpasser les FC H₂, NaBH₄ et NH₃ en termes de coût global, comme le montre le tableau 1. Ainsi, l’amélioration de la sélectivité catalytique desélectrodes pour l’électrooxydation et l’électroréduction de H 2 O₂ reste un défi important pour ces dispositifs.

Dans cette étude, nous introduisons une électrode à structure poreuse tridimensionnelle pour améliorer l’interaction entre l’électrode et le combustible H 2 O₂, dans le but d’augmenter la vitesse de réaction et d’améliorer la puissance et le courant de sortie. Nous étudions également l’impact du pH de la solution et de la concentration en H 2 O₂sur les performances du FC. La paire d’électrodes utilisée dans cette étude comprend un tissu en fibre de carbone galvanisé à l’or et une mousse de nickel. La caractérisation structurale est effectuée à l’aide de la diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à balayage (MEB), les courbes de potentiel en circuit ouvert (OCP), de polarisation et de puissance de sortie servant de paramètres principaux pour les tests FC.