Thèse Régénération Chimique Externe pour Pile à Combustible et Électrolyseur H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : Sciences Chimiques Balard Laboratoire de recherche : ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier Direction de la thèse : Sara CAVALIERE Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-29T23:59:59 Objectifs :
L'idée générale du projet est d'étudier des réactions chimiques en catalyse hétérogène (= non électrochimique) de l'ORR et de l'OER permettant de s'affranchir de l'utilisation d'électrocatalyseurs à base de métaux nobles. Pour cela, le projet porte sur le développement d'une pile à combustible à membrane échangeuse de proton présentant un flux liquide à la cathode.[1] A la différence des piles à combustible conventionnelles, où la réduction du dioxygène se produit électrochimiquement à la cathode, la réaction avec le dioxygène est déportée dans un réservoir externe grâce à l'utilisation d'un médiateur rédox, cette technologie est appelé Chemically Regenerative Redox Fuel Cell (CRRFCC) ou Mediated Fuel Cell (MFC). Cela permet de réduire le coût (absence de métaux nobles à la cathode) et d'améliorer la stabilité chimique et physique de la membrane, grâce à la réduction indirecte de O2 en dehors de la cellule (absence d'espèces radicalaires) ainsi que par le maintien de l'hydratation de la membrane grâce à l'électrolyte liquide. Le médiateur redox est réduit électrochiquement à la cathode de la pile et oxydé chimiquement dans le régénérateur externe. La réaction chimique est donc identique à celle d'une PEMFC néanmoins les paramètres thermodynamiques et cinétiques sont gouvernés par les propriétés physico-chimiques du médiateur redox.

Les études précédentes au laboratoire ont permis de montrer l'intérêt de cette technologie innovante avec l'étude de différents médiateurs redox.[2] A l'heure actuelle, la régénération chimique se fait par un bullage d'O2 à l'aide d'une bougie filtrante. Cependant, cette régénération n'est pas assez efficace et engendre une diminution rapide des performances car la consommation des espèces chimiques est plus importante à la cathode que dans le régénérateur. Le transport de matière devient donc l'étape limitante. En effet, la molécule doit être regénérée chimiquement plus rapidement que sa réduction électrochimique afin de maintenir un état de charge élevée (SOC i.e. molécules oxydées vs. molécules à l'état réduit) et donc de fortes densités de puissance. Quelques études montrent l'utilisation de co-catalyseurs pour améliorer cette régénération chimique.[3,4] Le choix du catalyseur est dépendant du médiateur redox utilisé.
Ce projet va donc étudier la régénération chimique via 2 axes : 1-l'amélioration du design du régénérateur, 2-l'intégration de catalyseur dans le régénérateur. Le but est de comprendre les mécanismes réactionnels impliqués dans la régénération chimique de la molécule redox par le dioxygène. Le projet s'intéressera donc dans un premier temps à la réaction d'ORR, le concept sera ensuite étendu à la réaction d'OER pour une application en électrolyse en flux sans utilisation d'iridium à l'anode.

3° Originalité : l'originalité du projet repose sur le développement de pile à combustible afin de réduire la dépendance au platine à la cathode en utilisant des réactions électrochimiques non catalytiques. A ce jour, aucune étude n'est reportée sur l'analyse des réactions entre l'oxygène moléculaire et une molécule redox en milieu aqueux pour une application en pile à combustible. L'utilisation des différentes techniques de caractérisation permettra de déterminer les mécanismes réactionnels et l'obtention de catalyseur efficace pour la régénération chimique afin de de développer cette technologie. Le développement des technologies hydrogène est un moyen pour décarboner l'industrie et les transports. Il est donc nécessaire de développer des technologies bas-carbone ; les électrolyseurs permettront de produire du dihydrogène bas carbone (<3.38 kg CO2/kg H2) à partir d'électricité « propre » ; les piles à combustibles H2/O2 serviront notamment à décarboner la mobilité notamment le transport lourd là où il n'existe pas d'alternatives.
L'un des verrous du développement de pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) et des électrolyseurs est l'utilisation de métaux critiques de la famille des platinoïdes (platine, iridium) comme électrocatalyseurs pour la réaction cinétiquement lente de réduction de l'oxygène (ORR) et de l'oxydation de l'eau (OER).

Electrochimie , chimie analytique, chimie des matériaux, chimie organique

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