Améliorer la durée de vie des piles à hydrogène par électro-catalyse sélective

Lorsqu’une voiture à hydrogène n’est pas en fonctionnement, des problèmes de corrosion surviennent au sein de la pile à combustible, ce qui réduit à la fois ses performances et sa durée de vie. Des chercheurs coréens ont trouvé une solution pour résoudre en partie ce problème.

Les arrêts et redémarrages répétitifs des véhicules fonctionnant à l’hydrogène provoquent de sévères réactions de corrosion au niveau de la cathode de la pile à combustible. Pour quelles raisons ? Parce qu’en cas d’arrêt du moteur, de l’air s’introduit à l’anode et la corrosion des éléments cathodiques s’accélère alors que le potentiel à la cathode grimpe instantanément.

Le catalyseur développé par l’équipe de chercheurs coréens favorise l’oxydation de l’hydrogène et supprime les réactions de réduction de l’oxygène (ORR) de manière sélective.

Une solution basée sur le phénomène de transition métal isolant

La transition métal isolant (en anglais, Metal Insulator Transition ou MIT), est un phénomène qui se produit lorsqu’un matériau passe de l’état conducteur à l’état isolant sous l’effet de modifications de son environnement. Le trioxyde de tungstène (WO3), par exemple, a la capacité d’augmenter sa conductivité lorsqu’il capte un proton et de repasser à l’état isolant lorsque la pression d’oxygène augmente.

Pour exploiter cette propriété, l’équipe de chercheurs de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) a ainsi développé un catalyseur Pt/HxWO3 qui combine du platine et un bronze de tungstène et d’hydrogène.

Le mécanisme est le suivant :

en utilisation normale, l’état conducteur (H-WO3) est maintenu par l’insertion d’un proton ;
lorsque le contact est coupé, de l’air s’introduit, faisant augmenter la pression d’oxygène. L’état isolant WO3 réapparaît, ce qui stoppe la réaction à l’électrode et résout le problème de corrosion cathodique.

Illustration du mécanisme de “transition métal isolant”, appliqué au WO3. Crédit : Pr Yong-Tae Kim, POSTECH.

Des résultats encourageants

Ces travaux, développés en détail dans un article publié le 29 juin 2020 dans la revue Nature Catalysis [1] semblent encourageants. En effet, grâce à cette réaction d’oxydation sélective de l’hydrogène initiée par le catalyseur Pt/HxWO3, la durée de vie est multipliée par un facteur 2, en comparaison avec l’utilisation de catalyseurs conventionnels de type Pt/C.

Le professeur Yong-Tae Kim, responsable de cette étude estime ainsi que « ces recherches améliorent considérablement la durée de vie des piles à combustible destinées aux automobiles. »

D’après l’article du 13 juillet 2020, publié sur le site de POSTECH

Pour en savoir plus :

[1] Jung, S., Yun, S., Kim, J. et al. Selective electrocatalysis imparted by metal–insulator transition for durability enhancement of automotive fuel cells. Nat Catal 3, 639–648 (2020).