Electrocatalyseurs de l'oxydation de l'hydrogène en présence de polluants - Application à la purification/compression de l'hydrogène

The hydrogen electrochemical compressor (EHC) is a promising system combining both the purification and compression steps required for the use of hydrogen in devices such as proton exchange membrane fuel cells. Its usage could enable to reduce the price of hydrogen, thus facilitating the popularization of hydrogen-powered devices. However, to be competitive, EHC must sustain large current densities (in the range of 2 A cm-2), an ambitious goal considering the presence of pollutants gases at the anode, where the hydrogen oxidation reaction (HOR) is performed. Therefore, it is essential for the anode electrocatalysts to present a high tolerance towards poisoning impurities such as CO or CO2, as well as very good activity towards the HOR.The present work investigates two families of electrocatalysts with promising properties in those aspects. On the one hand, the Pt+Ru family, composed of unalloyed Pt and Ru nanoparticles deposited on carbon support, presented CO-oxidation current at potential values as low as for pure Ru, while keeping a good activity for the HOR when measured in rotating disk electrode (contrary to Ru, that displays poor HOR activity). On the other hand, the WO3-supported Pt and Pt+Ru electrocatalysts displayed good CO-oxidation onset, despite a lower HOR activity and a very poor stability. The most promising electrocatalysts were compared in a gas diffusion electrode (GDE) test cell, in which mass transport limitations are lowered. This enabled the proper comparison of all the electrocatalysts at high current densities, an endeavour to their use in EHC.La pompe électrochimique à hydrogène (EHC en anglais) est un système prometteur combinant à la fois les étapes de purification et de compression nécessaires à l’utilisation de l’hydrogène dans des dispositifs tels que la pile à combustible à membrane échangeuse de protons. Son utilisation pourrait permettre de réduire le coût de l’hydrogène, facilitant ainsi l’essor des technologies de l’hydrogène. Cependant, l’EHC doit fonctionner à grande densité de courant (de l’ordre de 2 A cm-2) pour être compétitif, un objectif ambitieux si l’on prend en compte la présence de polluants à l’anode, où la réaction d’oxydation de l’hydrogène (HOR en anglais) a lieu. Les électrocatalyseurs à l’anode doivent donc présenter une grande tolérance aux impuretés comme le CO ou le CO2, ainsi qu’une excellente activité pour l’HOR.Ce travail s’intéresse à l’étude de deux familles d’électrocatalyseurs présentant des propriétés intéressantes pour ces aspects. D’un côté, la famille Pt+Ru est composée de nanoparticules non-alliées de Pt et Ru, déposées sur un même substrat carbone. Elles présentent des courants d’oxydation de CO à un potentiel aussi bas que celui de Ru, tout en gardant une bonne activité HOR (mesurée en électrode à disque-tournant), contrairement à Ru, qui exhibe une faible activité pour l’HOR. De l’autre côté, les électrocatalyseurs de Pt et Pt+Ru supportés sur WO3 affichent un très bon début d’oxydation de CO, malgré une faible activité HOR et une mauvaise stabilité. Les meilleurs électrocatalyseurs sont comparés avec une électrode à gaz (GDE), qui permet la réduction des limitations de transports de matière. Ce montage permet une comparaison plus rigoureuse des électrocatalyseurs à grande densité de courant, plus représentative de leur usage en EHC