Étude des propriétés du transport d’eau et Développement d’une nouvelle structure de polymère pour l’optimisation de la gestion de l’eau d’une PEMFC

Study of the water transport properties and Developpement of new polymer stucture for the optimization of water management in a fuel cell PEMFC.

• Auteur / Autrice : Zhé Peng
• Direction : Patrice Huguet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2012
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie en cotutelle avec Ecole nationale supérieure de chimie (Montpellier)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Huguet, Olivier Lottin, Laurent Servant, Félix Büchi, Renaut Mosdale, Arnaud Morin, Stefano Deabate, Gérard Gebel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Lottin, Laurent Servant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion en hydrologie

Spectroscopie Raman

Électro-osmose

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Gestion des ressources en eau

Mots clés libres

Pemfc

Gestion de l’eau

Membrane

Electroosmose

Diffusion

Spectroscopie Raman

Pemfc

Water management

Membrane

Electroosmosis

Diffusion

Raman spectroscopy

Résumé

Les performances et la durée de vie des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dépendent fortement de la répartition de l'eau dans les assemblages membrane électrodes (AME). Une répartition d'eau homogène et suffisante s'avère indispensable pour obtenir de bonnes performances et une grande durabilité. Fondamentalement, la répartition d'eau dans l'AME, et plus particulièrement dans la membrane, est déterminée par deux mécanismes de transport d'eau : le flux d'électroosmose, induit par les protons véhiculant les molécules d'eau de l'anode vers la cathode, et le flux de diffusion d'eau, de la cathode vers l'anode, résultant du gradient de concentration. Or, ces mécanismes sont pour l'heure encore mal connus malgré les intenses recherches menées sur le sujet. Dans ce contexte, la première partie de cette étude s'appuie sur la détermination et la quantification des mécanismes de transport d'eau dans les différents composants, et notamment dans les membranes, ainsi que sur l'étude de leur couplage. Ces propriétés ont été évaluées en fonction du degré d'hydratation et de la température à l'aide de deux méthodes originales développées dans cette thèse. Afin d'homogénéiser la répartition d'eau, et ainsi d'améliorer les performances des PEMFC, le développement d'une nouvelle structure de membrane à gradient de masse équivalente a fait l'objet de la deuxième partie de l'étude. Cette nouvelle structure membrane a été étudiée par la caractérisation de ses propriétés du transport d'eau, par la détermination de la répartition d'eau ex et in-situ par spectroscopie Raman confocale ainsi que par des tests électrochimiques. Les performances électrochimiques ont été corrélées aux propriétés de transport d'eau, selon l'orientation du gradient de masse équivalente de la membrane par rapport au sens des protons. Nous avons ainsi démontré qu'il est possible de modifier la répartition d'eau et les performances en modifiant le sens de la structure de la membrane par rapport aux réactions électrochimiques.

Water management is a fundamental issue for the improvement of the PEMFC technology. The cell performances and life time depend strongly on the water repartition in the Membrane Electrodes Assembly (MEA). This water repartition within the MEA is mainly governed by two flows across the membrane : electroosmosis, which drags water molecules from the anode to the cathode and often leads to local depletion of water in the membrane at the anode side ; back diffusion (from cathodeto anode) induced by the water concentration gradient generated from the water produced at the cathode side, which allows to hydrate the membrane and the anode. For nowadays, these phenomena are still under debate in spite of numerous researches. In this context, this work is firstly focused on the determination and the quantification of the mechanisms of water transport in different components, particularly in the membranes, as well as their coupling thanks to two original methods developed in this work. In the aim to achieve a more homogeneous water repartition, and consequently to improve the cell performance, a new membrane structure based on an inner gradient of equivalent weight has been fabricated. Its water transport properties, the cell performance, and the ex and in-situ water repartition have been characterised. A consistent relationship between the performance and the membrane water transport properties have been established depending on the direction of the gradient of equivalent weight compared to the protons flow.