Tesis sobre el tema "H2 Fuel Cell"

Kyoto University (京都大学)
0048
新制・課程博士
博士(エネルギー科学)
甲第10980号
エネ博第91号
新制||エネ||25(附属図書館)
UT51-2004-G827
京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻
(主査)教授 伊藤 靖彦, 教授 尾形 幸生, 教授 片桐 晃
学位規則第4条第1項該当

Proton exchange membrane fuel cells are electrochemical devices which convert the chemical energy of hydrogen into electrical energy with a high efficiency. They are compact and produce a powerful electric current relative to their size. Different from the batteries they do not need to be recharged. They operate as long as the fuel is supplied. Fuel cells, therefore, are considered as one of the most promising options to replace the conventional power generating systems in the future. In this study five PEMFCs
namely EAE1, AOY001, AOY002, AOY003 and AOY004 were manufactured with different methods and in different structures. A test station was built to make the performance tests. Performances of the PEMFCs were compared by comparing the voltage-current (V-i) diagrams obtained during the initial tests at 25 º
C of fuel cell and gas humidification temperatures. AOY001 showed the best performance among all PEMFCs with a current density of 77.5 mA/cm2 at 0.5 V and it was chosen for further parametric studies where the effect of different flow rates of H2 and O2 gases, gas humidification and fuel cell temperatures on the performance were investigated. It was found that increasing fuel cell and gas humidification temperatures increased the performance. Excess flow rate of reactant gases had an adverse effect on the performance. On the other hand increasing the ratio of flow rate of oxygen to hydrogen had a positive but limited effect. AOY001 delivered a maximum current density of 183 mA/cm2 at 0.5 V. The highest power obtained was 4.75 W

Devido ao efeito estufa, a produção de hidrogênio a partir da reação de reforma do bioetanol tem se tornado um assunto de grande interesse em catálise heterogênea. Os catalisadores à base de Pt são empregados nos processos de purificação de H2 e também em eletrocatalisadores das células a combustível do tipo membrana polimérica (PEMFC). O hidrogênio obtido a partir da reforma do etanol contém como contaminante o acetaldeído e pequenas quantidades de CO. Assim, pode-se prever que muitas reações podem ocorrer na presença de catalisadores de Pt durante o processo de purificação do H2 e mesmo no próprio eletrocatalisador. Desta forma, este trabalho tem como objetivo descrever o comportamento do acetaldeído na presença de catalisadores de Pt. Para tanto foram preparados dois catalisadores, Pt/SiO2 e Pt/USY, contendo 1,5% de metal em ambos. Também foi estudado um eletrocatalisador (comercial) de Pt suportado em carvão (Pt/C). Os catalisadores foram caracterizados através das técnicas de análise textural, difração de raios X (DRX), quimissorção de H2, reação de desidrogenação do ciclohexano, espectroscopia no infravermelho de piridina adsorvida, dessorção a temperatura programada de n-butilamina (TPD de n-butilamina), dessorção a temperatura programada de CO2 (TPD-CO2), análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de dispersão de energia (EDS). Os testes catalíticos foram realizados entre as temperaturas de 50 e 350 C em corrente contendo acetaldeído, H2 e N2. Foi observado que as propriedades ácido-básicas dos suportes promovem as reações de condensação com formação de éter etílico e acetato de etila. O acetaldeído em catalisadores de Pt sofre quebra das ligações C-C e C=O. A primeira ocorre em uma ampla faixa de temperaturas, enquanto a segunda apenas em temperaturas abaixo de 200 C. A quebra da ligação C-C produz metano e CO. Já a quebra da ligação C=O gera carbono residual nos catalisadores, assim como espécies oxigênio, que por sua vez são capazes de eliminar o CO da superfície dos catalisadores. Nota-se que o tipo de suporte utilizado influencia na distribuição de produtos, principalmente a baixas temperaturas. Além disso, constatou-se que a descarbonilação não é uma reação sensível à estrutura do catalisador. Verificou-se também a presença de resíduos sobre os catalisadores, possivelmente oriundos não somente da quebra da ligação C=O, mas também de reações de polimerização
Due to the greenhouse effect, hydrogen production from bioethanol reforming is a very important subject in heterogeneous catalysis research. Pt based catalysts are employed in H2 purification processes and also as electrocatalysts of PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cells. Hydrogen obtained from ethanol reforming may contain acetaldehyde and small amounts of CO as contaminants. This very reactive aldehyde can interact with Pt based catalysts during purification process, and also with the electrocatalyst. Therefore, this work aims to study the acetaldehyde behavior in the presence of platinum based catalysts under hydrogen atmosphere. Two catalysts named Pt/SiO2 and Pt/USY were prepared, containing 1,5% of Pt. A commercial Pt eletrocatayst supported on carbon (Pt/C) was also studied. The catalysts were characterized by textural analysis, XRD, H2 chemisorption, cyclohexane dehydrogenation reaction, pyridine IR, n-butylamine TPD, CO2 TPD, TGA/DTG, SEM and EDS. The catalytic tests were carried out in a fixed bed reactor at temperature range of 50-350 C, under acetaldehyde, H2 and N2 flow. It was observed that the acid-basic supports properties promoted condensation reactions with the formation of ethylic ether and ethyl acetate. Once in contact with Pt based catalysts, acetaldehyde undergoes C-C and C=O bond scissions. The former occurs at a wide temperature range, whereas the latter occurs only at low temperatures (< 200 C). The C-C bond scission (decarbonylation) produces methane and CO. The C=O bond scission generates carbon residues on the catalyst, as well as oxygen species, which in turn eliminate CO from the catalytic surface. It was noticed that the type of support influences products distribution, mainly at low temperatures. The data also show that decarbonylation is not a structure-sensitive reaction. Residues were observed on Pt/USY which were generated not only from C=O bond rupture, but also from acetaldehyde polymerization

Cette thèse apporte des éléments de compréhension de la boucle basse fréquence des spectres d'impédance de PEMFC H2/air. Différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène alternatives à l'élément de Warburg sont proposées. Elles prennent en compte des phénomènes de transport dans les directions perpendiculaire et parallèle à l'électrode qui sont habituellement négligés: convection à travers la GDL et le long du canal d'air, résistance protonique de la couche catalytique et appauvrissement en oxygène entre l'entrée et la sortie de la cellule. Une attention particulière est portée sur les oscillations de concentration induites par le signal de mesure qui se propagent le long du canal d'air. Ces différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène sont utilisées dans un circuit électrique équivalent destiné à simuler l'impédance de la cellule. Une comparaison entre résultats expérimentaux et théoriques permet d'identifier les paramètres du circuit électrique. A partir de ces paramètres, il est possible d'analyser les mécanismes physiques et électro-chimiques qui se produisent dans la pile, ainsi que de tirer certaines conclusions sur les phénomènes de transport de l'oxygène dans les milieux poreux de la cathode. Pour cela, nous avons utilité des cellules segmentées et instrumentées conçues et fabriquées au laboratoire
The aim of this Ph.D thesis is to contribute to a better understanding of the low frequency loop in impedance spectra of H2/air fed PEMFC and to bring information about the main origin(s) of the oxygen transport impedance through the porous media of the cathode via locally resolved EIS. Different expressions of the oxygen transport impedance alternative to the one-dimensional finite Warburg element are proposed. They account for phenomena occurring in the directions perpendicular and parallel to the electrode plane that are not considered usually: convection through the GDL and along the channel, finite proton conduction in the catalyst layer, and oxygen depletion between the cathode inlet and outlet. A special interest is brought to the oxygen concentration oscillations induced by the AC measuring signal that propagate along the gas channel and to their impact on the local impedance downstream. These expressions of the oxygen transport impedance are used in an equivalent electrical circuit modeling the impedance of the whole cell. Experimental results are obtained with instrumented and segmented cells designed and built in our group. Their confrontation with numerical results allows to identify parameters characterizing the physical and electrochemical processes in the MEA

Dans la nature, la réduction de l'oxygène et l'oxydation de l'hydrogène sont catalysées par des enzymes oxydoréductases. Ces catalyseurs spécifiques, efficaces, renouvelables et biodégradables constituent une alternative séduisante au platine dans les piles à combustible. L'immobilisation à des interfaces nanostructurées de l'hydrogénase membranaire tolérante à l'oxygène de la bactérie hyperthermophile Aquifex aeolicus, et de la bilirubine oxydase thermostable de la bactérie Bacillus pumilus, a été étudiée dans ce sens.L'électrochimie et la dynamique moléculaire ont permis d'affiner le modèle d'orientation de l'hydrogénase sur les surfaces planes. L'efficacité de l'immobilisation de l'hydrogénase sur différents nanomatériaux carbonés (nano-particules, tubes et fibres de carbone) structurant la surface de l'électrode a été évaluée. Les nanofibres de carbone (CNFs) ont permis de former une bioanode efficace pour l'oxydation de l'H2 en l'absence de médiateurs redox. L'étude a souligné l'importance d'un transport efficace du substrat dans le film carboné mésoporeux. Les CNFs ont également été utilisées comme matériau d'électrode pour réaliser la 1ère connexion directe de la bilirubine oxydase. L'existence d'une forme resting alternative de l'enzyme, influencée par les ions chlorures, le pH et la température, a été mise en évidence. Une biocathode efficace pour la réduction de l'oxygène a été développée.Les deux électrodes thermostables ont permis le développement de la 1ère biopile H2/O2 qui délivre des densités de puissance supérieures au mW.cm-2 sur une large gamme de température. Ce résultat ouvre la voie à l'alimentation électrique de dispositifs de faibles puissances
The oxygen reduction and the hydrogen oxidation reactions are realized in nature by oxidoreductase enzymes. These highly efficient, specific, renewable and biodegradable catalysts appear as a seducing alternative to platinum in fuel cell devices. The immobilization at nanostructured interfaces of the membrane-bound oxygen-tolerant hydrogenase from the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus, and of the thermostable bilirubin oxidase from Bacillus pumilus, has been studied within this objective.Electrochemistry and molecular dynamics have been used to validate the orientation model of the hydrogenase at planar electrodes. Hydrogenase immobilisation in 3D-networks based on various carbon materials (nanoparticles, nanotubes and nanofibers) has been especially studied. Fishbone carbon nanofibers were demonstrated to provide an efficient platform for mediatorless H2 oxidation. Mass transport inside the carbon mesoporous film has been especially studied and demonstrated to be one of the limitations of the catalytic efficiency. Direct electrical connection of bilirubin oxidase has also been realized for the first time thanks to its immobilization on carbon nanofiber films. An alternative resting form of the enzyme, influenced by chlorides, pH and temperature, has been evidenced. An efficient biocathode for the oxygen reduction reaction has been developed. Thanks to the two thermostable electrodes, the first H2-O2 bio fuel cell able to deliver power densities over 1 mW.cm-2 over a large temperature range has been developed. This result paves the way for the electrical alimentation of low-power devices

Les piles à combustible, alimentée par de l’hydrogène, représentent une solution prometteuse pour limiter la pollution. L’une des alternatives économiques envisagées à court et moyen terme est de produire l’hydrogène à partir d’un carburant tel que le méthane ou le bio-éthanol. Cette transformation a pour objectif d’obtenir un mélange de gaz riche en hydrogène avec une très faible teneur en CO, ce dernier étant un poison pour les piles de type PEM. La réaction de Water-Gas Shift (WGS) est une étape clé du procédé ; elle convertit CO en CO2 par réaction avec l’eau et fournit une quantité d’hydrogène supplémentaire. Des catalyseurs métalliques (Pt, Pd, Ru, Rh, Au, Cu) supportés sur des oxydes (CeO2, TiO2, ZrO2, Fe2O3, CeO2/Al2O3) ont été comparés dans des conditions de WGS identiques en présence de CO2 et H2. Une étude cinétique a été réalisée sur les catalyseurs Pt/CeO2, Au/CeO2, Pt/TiO2 et Au/TiO2. Les énergies d’activation apparentes et les ordres de réaction ont été déterminés à partir d’un modèle de type loi de puissance. Un mécanisme réactionnel avec deux sites a été proposé pour décrire les différentes activités des 4 catalyseurs. Des expériences de désorption programmée en température ont été réalisées pour déterminer les paramètres cinétiques sur le support
The Fuel Cells are promising solution to reduce the air pollution. One of the cost-efficient alternatives is to produce hydrogen from another fuel such as methane or bio-ethanol. A hydrogen fuel processor consists in generating a hydrogen-rich mixture and reducing the carbon monoxide content, as PEM fuel cells are very low CO tolerance. One of these units is the water-gas shift reactor, which converts CO into CO2 by the reaction with water and provides additional hydrogen. Catalysts based on a metal (Pt, Pd, Ru, Rh, Au, Cu) supported on an oxide (CeO2, TiO2, ZrO2, Fe2O3, CeO2/Al2O3) were compared for the WGS reaction in the same conditions and in the presence of CO2 and H2. A kinetic study was conducted on catalysts Pt/CeO2, Au/CeO2, Pt/TiO2 and Au/TiO2. A power law rate model was used to determine apparent activation energies and reaction orders. A dual-site reaction mechanism was proposed to explain the different activities between the four catalysts. The sorption parameters of H2O and CO2 on the supports was quantitatively determined from temperature-programmed desorption experiments

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.

The energy system is undergoing a transformation on a never before witnessed scale. The changes are driven by global market forces and technological advancements, improving on a seemingly exponential scale. This in turn has led to the price of both renewables and the accompanying technology decrease over time, making the transition into renewables more economically viable. The drawback of variable renewable energy is that it is variable and dependent on the surrounding environment. Therefore, storing the energy during hours of production, to be used at a later stage when energy demand is higher is becoming ever more important and an attractive option. The purpose of this degree project is to, from a set of performance indicators, evaluate three different energy storage technologies and their respective impact on a distribution grid. The examined storage technologies are: Batteries, Capacitators and a H2 Fuel cell. A literature study was performed in order to find out how grid performance is evaluated, and how the different storage technologies operate. The obtained literature comes from scientific reports, and papers, found by utilizing Mälardalens University library-database. A model representing a Swedish grid with a connection point to the distribution side was created. The model is taken from previous credited work, and customized to fit the operational parameters of a Swedish grid. It was decided that the key indicators for evaluating the state of a grid was to look at the: voltage- and frequency variations, load factor, capacity factor and the overall system efficiency. The simulation is a discrete time simulation that utilizes parameters indicative of one full day of data. The results showed that, from a technological standpoint, the supercapacitor performed better in more categories than the Li-ion battery and H2 fuel cell. However, the Li-ion battery reduced the peaks of the frequency measurements which is a key metric when deciding on grid health. Also, there is the added benefit of the battery and fuel cell of having a longer operational time before the state of charge is depleted. This increases the flexibility of the technology and could therefore be more beneficial in other applications where power supply is more scarce.

Les travaux développés dans cette thèse traitent de la thématique du vieillissement des Piles à Combustible (PàC) à Membranes Echangeuses de Protons Basse Température (PEM BT). L’utilisation d’une PàC dans un contexte stationnaire à l’intérieur d’une batterie H2 (tandem PàC/Electrolyseur avec un étage de stockage H2 voire O2) est envisagée dans le cadre du déploiement d’un micro-réseau insulaire basé sur des sources d’énergie renouvelables (éolien et photovoltaïque). Deux aspects connexes associés à l’utilisation de la PàC et à son vieillissement dans cet environnement sont investigués dans ce travail de thèse : d’une part la manière dont les performances de la PàC et son rendement vont se dégrader au cours du temps et d’autre part les méthodes et outils qui vont être utilisés pour évaluer son état de santé durant sa période d’activité. La première de ces deux thématiques est abordée via l’étude d’une base de données d’essais en endurance à courant constant effectués sur des prototypes de stack PEM BT fonctionnant en H2/O2. L’hétérogénéité du vieillissement pour les différents stacks testés est mise en avant, de même que le découplage entre les pertes d’étanchéité interne et les dégradations des performances en tension au courant nominal durant les différentes campagnes. Une méthodologie proposant une dissociation des dynamiques réversibles et irréversibles de décroissance de la tension de la PàC au cours du temps est ensuite exposée et sert de base à la construction d’un modèle de dégradation de la tension sur un fonctionnement à courant fixe. Le modèle montre des résultats encourageants et une perspective liée à son utilisation dans le cadre du pronostic est suggérée. La question de la sensibilité du vieillissement aux variations dynamiques de la charge est ensuite abordée de manière complémentaire à ces essais d’endurance (effectués à charge constante) via une campagne de vieillissement effectuée sur des monocellules hybridées ou non directement par des supercondensateurs et cyclant sur un profil de courant dynamique. Une comparaison des évolutions des performances des monocellules au cours du temps dans les deux cas (hybridé et non-hybridé) est effectuée et met en avant l’effet du cyclage dynamique sur la dégradation des performances des PàC. La deuxième thématique touchant les méthodes et outils dédiés à l’évaluation de l’état de santé de la PàC durant son fonctionnement est introduite dans la suite de ces travaux en se penchant notamment sur une des causes majeures de la fin de vie des PàC : l’accroissement du crossover d’H2 vers l’O2 lié à la perte d’étanchéité interne de la membrane. Des mesures de tension à vide (OCV) effectuées lors de phases d’arrêt/démarrage sont scrutées a posteriori pour une des campagnes de la base de données d’essais en endurance. L’objectif est de rechercher des éventuelles corrélations entre l’accroissement des fuites internes et l’évolution de ces mesures au cours du temps afin de développer des potentiels indicateurs des fuites internes. Une séquence opératoire de mise en gaz mettant en avant un lien entre le niveau de crossover d’H2 et la vitesse d’effondrement de l’OCV pour certaines cellules du stack est identifiée et reproduite à l’occasion d’une campagne complémentaire d’essais. Une dernière partie du manuscrit est finalement consacrée à une approche théorique prospective dédiée à l’intégration d’un phénomène parasite, l’oxydation du Pt, dans la modélisation des performances statiques et dynamiques d’une PàC. Les retombées attendues portent sur l’amélioration de l’interprétation des caractérisations menées régulièrement (EIS, OCV, balayages sinus de forte amplitude aux très basses fréquences…), permettant le suivi du vieillissement
This thesis work deals with the thematic of the Low Temperature Proton Exchange Membrane (PEM LT) Fuel Cell (FC) aging. The use of a FC inside a H2 battery (association of a FC, an electrolyzer and H2 / O2 tanks) in a stationary context is considered in an island micro-grid based on renewable energies (wind and solar power). Two axes linked with the FC use and aging in this context are investigated in this work: one of the axes is centered in the study of the FC performance decrease dynamics over time and the other on the development of methods and tools dedicated to the state of health monitoring during the FC operation. The first thematic is introduced through the exploitation of several aging campaigns performed on PEM FC stack prototypes under constant current solicitations. The stacks considered are fed with pure O2 on the cathode side. A focus is made on the aging heterogeneity inside the stacks and a decoupling between the nominal voltage degradation dynamics and the development of the H2 internal leak with time is highlighted for the different stacks and campaigns. A generic methodology dissociating the reversible and the irreversible voltage losses dynamics is proposed and is further used as a basis to model the nominal voltage degradation with time. The model built in this way is showing encouraging results and its potential use for prognostic purpose is suggested. Whereas these investigations focus on the FC performance degradations under constant current solicitation, the impact of load current dynamic variations on the FC aging is also treated with an experimental study performed on single cells. An ageing campaign under a dynamic load profile is performed on several single cells directly hybridized or not by supercapacitors. The hybridized cells are cycling on an almost-constant current profile whereas the non-hybridized cells are cycling on a dynamic one. A comparison of the performances evolution with time in both cases (hybridized and nothybridized) is done and highlights the effect of the dynamic cycling on the FC performance degradation. The second thematic dealing with the FC state of health evaluation is introduced with one of the main causes of the FC end-of-life: the development of the H2 internal leak between the anode and cathode compartments. Open Circuit Voltage (OCV) measurements performed during start-up and shut-down routines phases are scanned a posteriori in one of the aging campaign of the database. The objective is to seek some potential correlations between those OCV measurements and the H2 internal leak increase over time in order to develop internal leak indicators. A gases introduction operating sequence highlighting a link between the internal leak level and the OCV drift for some stack’s cells is identified during some start-up phases and reproduced during a complementary campaign. A last part of the manuscript is finally dedicated to the integration of a parasitic mechanism (the Pt oxidation) into the FC theoretical quasi-static and dynamic performance modeling. The model integrating this phenomenon is showing some abilities to explain and analyze several experimental features observed on classical performance characterization measurements (EIS, OCV measurements, large amplitude sinus sweep at very low frequency…), opening some perspectives for the FC state of health monitoring

The doctoral thesis deals with investigation of the catalysts and ionexchanege membranes for fuel cells H2-O2. The work contains the basic principles of chemical reactions, thermodynamic aspects and kinetic properties in PEM fuel cells.Ion-exchagers based on fluorinated polymer sulfonic acids known as NAFION are used in most cases. These compounds are very expensive. Also a strong corrosive attribute requires platinum as a catalysator. These facts make the membrane fuel cells fully non-competetive with e.g. internal combustion engine in spite of all ecological advantages of this electrical power source. The subject of doctoral thesis is research and development of compounds for the composite electrode materials base on NiOx, Ni-Pd and Raney Ni suitable as catalysts a nd alkaline or bipolar ionexchange membranes for electrochemical fuel cells.

Le développement de technologies de l’énergie alternatives à la combustion des ressources fossiles est un enjeu majeur pour réduire l’émission des gaz à effet de serre et développer une économie durable. Dans cette optique, les piles à combustible à membrane échangeuses de protons (PEMFC) utilisent le platine en tant que catalyseur pour transformer l’énergie chimique en énergie électrique, en réduisant l’oxygène de l’air en eau et en oxydant l’hydrogène en protons. Dans la nature, les enzymes à cuivre et les hydrogénases catalysent respectivement ces réactions. Ces dernières, ainsi que des complexes bio-inspirés de leur site actif, ont été envisagés en tant qu’alternatives au platine, métal noble et coûteux. Ainsi, un complexe mononucléaire bisdiphosphine de nickel renfermant des acides aminés arginines en troisième sphère de coordination a été immobilisé sur une matrice de nanotubes de carbone (NTCs). Cette anode a démontré d’excellentes performances pour oxyder l’hydrogène avec des densités de courant élevées et sur une large gamme de pH. Son utilisation dans une PEMFC a permis d’obtenir une densité de puissance de 15 mW.cm-2, seulement cinq fois inférieure à celle d’une pile classique à base de platine préparée dans les mêmes conditions. Concernant la catalyse de réduction de l’oxygène, des méthodes covalentes ont été développéespour réaliser la connexion électronique directe de laccase de Trametes sp C30, ainsi qu’un mutant de cetten enzymesur matrice de NTCs L’’association du catalyseur de nickel avec une cathode à base de bilirubine oxydase immobilisée sur NTCs a permis de proposer un nouveau concept de pile hybride enzymatique/bio-inspirée. Une densité de puissance de l’ordre de 1,8 mW.cm-2 et une force électromotrice proche de 1V ont ainsi été mesurées pour cette pile sans métaux nobles. Le greffage de complexes de cuivre mono- et dinucléaires, bio-inspirés du site actif d’enzymes à cuivre et actifs vis-à-vis de la réduction de l’oxygène a enfin permis d’élaborer la première pile H2/air ne renfermant que des catalyseurs moléculaires et sans métaux nobles. Cette dernière délivre une densité de puissance de 160 µW.cm-2
New energy technologies alternative to fossil fuels utilization is a key issue to mitigate greenhouse gases emission and develop a sustainable economy. In this context, platinum-based proton exchange membrane fuel cells use oxygen reduction reaction (ORR) and hydrogen oxidation reaction (HOR) to convert chemical energy into electrical energy. In nature multicopper oxidases and hydrogenases catalyze these two reactions, respectively. These enzymes and corresponding bioinspired catalysts have been used as alternatives to the rare and expensive platinum metal. First, a mononuclear bis-diphosphine nickel complex surrounded by arginine residues was immobilized onto carbon nanotubes (CNTs) and demonstrated excellent performances for HOR developing high current densities over a wide range of pH. This anode was integrated in a PEMFC, which achieved high power densities (15 mW cm-2), only five times lower as compared to classical PEMFC prepared under similar conditions. Regarding ORR catalysis, we covalently grafted LLaccases from Trametes sp C30 multicopper oxidases onto NTCs electrodes and achieved direct electron transfer. Using, bilirubin oxidase deposited on CNTs at the cathode side, we proposed a new concept of hybrid enzymatic/bio-inspired H2/air fuel cell. This hydrogen fuel cell delivered 1.8 mW.cm-2 and a high open circuit voltage of 1V. Finally, various copper complexes inspired from the active sites of copper enzymes were assessed for ORR and the first H2/air fuel cell containing noble metal-free molecular catalysts at both electrodes is reported, achieving 160 µW.cm-2 power density

The laser tool is predestined for automated manufacturing processes and has already proven its suit-ability in many areas. In particular, joining technologies in the field of hydrogen production, its storage and for bi-polar plates have to meet the highest requirements in terms of seam quality, reproducibility and manufacturing efficiency. By the examples  700 bar car H2 pressure tank with laser welded connection (welding depth 25 mm)  Laser Remote Welding of HT Fuel Cell Stacks  Laser-welded aluminum tube-ground heat exchanger for gas liquefaction the article presents the possibilities of modern laser beam welding technologies. Furthermore, it gives an outlook on future challenges, especially with regard to the requirements of welding bi-polar plates for upcoming applications in the field of mobility

Water electrolysis conjugated with renewable energy sources potentially realizes a sustainable society. Although the current electrolyzers operate at extreme pH to maximize the electrolysis efficiency, near-neutral pH conditions may optimize the overall system operation when conjugated with renewable energy sources. In this context, a study on the electrolysis in the mild conditions is essential. The dissertation investigates the water electrolysis in various conditions, with a particular focus placed on milder conditions, to rationalize and improve its performance. Microkinetic analysis was performed for the cathodic half-reaction in conjugation with mass transport evaluation using various electrode materials. The analysis revealed a significant universal influence of electrolyte properties on the reaction performances at near-neutral pH. Investigation of the associated electrolyte properties (ion size, viscosity and activity/fugacity) rationally optimized the reaction conditions. Together with the separately performed studies on the anodic half-reaction and system configurations, the finding was successfully transferred to electrocatalytic and solar-driven water splitting systems. The presented herein is a fundamental yet crucial aspect of water electrolysis, which can advance the water electrolysis for the future.