Caractérisation du transport de l’eau dans les piles à combustible par Imagerie et Spectroscopie de Résonance Magnétique nucléaire

Water transport properties in fuel cells by Magnetic Resonance Imaging and Spectroscopy

• Auteur / Autrice : Jérôme Bedet
• Direction : Christian Moyne, Pierre Mutzenhardt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Énergétique
• Date : Soutenance le 14/10/2007
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de Méthodologie RMN, laboratoire Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes
• Jury : Président / Présidente : Daniel Canet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Canet, Gérard Gébel, Patrick Judeinstein, Edme H. Hardy, Christian Moyne, Pierre Mutzenhardt, Didier Stemmelen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Gébel, Patrick Judeinstein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électro-osmose

Piles à combustible

Imagerie par résonance magnétique

Résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

PEMFC

Nafion

Résumé

Les membranes ionomères (par exemple le Nafion®) sont utilisées en tant qu’électrolyte dans les piles à combustible à membrane échangeuse d’ions (PEMFC) dont les performances dépendent fortement de l’état d’hydratation de cette membrane. Il est donc fondamental de connaître la distribution en eau dans la membrane ainsi que dans la pile à combustible. Les coefficients d'autodiffusion ont été mesurés par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) employant des gradients de champ magnétique statique B0 ou des gradients de champ magnétique radiofréquence B1. Cette seconde méthode permettant de s’affranchir de l’effet des gradients internes, nous avons pu mesurer une diminution du coefficient de diffusion apparent en fonction de l'intervalle de diffusion ce que ne permet pas l’utilisation des gradients B0. L'effet du flux électro-osmotique a pu être mis en évidence dans une membrane soumise à un champ électrique. Après avoir appliqué une tension constante aux bornes de deux électrodes en platine, placées à chaque extrémité de la membrane, la migration de l'eau de l’anode vers la cathode a pu être visualisée par des techniques d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). L’IRM a finalement été employée pour étudier les phénomènes de transport directement dans une PEMFC en fonctionnement. Ces expériences sont plus délicates à mettre en œuvre, et nécessitent la conception d’une PEMFC optimisée pour l’observation par IRM. Cette cellule élémentaire s'est avérée avoir des propriétés comparables à celles disponibles dans le commerce. Les résultats préliminaires montrent une accumulation progressive de l'eau près de la sortie des gaz tandis que l'admission reste sèche.

PEMFC use perfluorosulfonic acid membranes (Nafion® for example) as solid electrolyte and their performances are strongly dependent on membrane hydration. Therefore, the accurate knowledge of water distribution in the membrane and in the fuel cell is a fundamental issue. First, self diffusion coefficients have been thoroughly measured by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) using B0 gradients and/or B1 gradients. The latter method is more suitable in the case of short relaxation times and for avoiding effects of the so-called internal gradients. Indeed, we were able to observe the decrease of the apparent diffusion coefficient as a function of the diffusion interval whereas this feature is totally absent in the data obtained by B0 gradients. Secondly, electro-osmotic flow effect has been detected in a membrane experiencing an electrical field. The setup consists of two platinum electrodes at each extremity of the membrane. We have observed by Magnetic Resonance Imaging the migration of water when a constant tension between the membranes is imposed. Finally, MRI has been used to study these phenomena into a PEMFC under operation. These experiments, carried out with a whole fuel cell, are more difficult to achieve and they require a PEMFC optimized for the MRI observation. This fuel cell proved to have performances comparable to commercially available fuel cells. Preliminary results indicate a progressive accumulation of water close to the gas outlet while the gas inlet remains dry.