Alliages intermétalliques pour la conversion d'énergie : anodes pour piles à combustible métal air

Intermetallic alloys for energy conversion : Anodes for metal / air fuel cells

• Auteur / Autrice : Pierre Montagné
• Direction : Monique Tillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Taillades
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Monique Tillard, Gilles Taillades, Alain Pailleret, Olivier Tougait
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Pailleret, Olivier Tougait

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnésium

Anodes

Énergie -- Conversion directe

Piles à combustible

Composés intermétalliques

Mots clés libres

Composés intermétalliques

Conversion d'énergie

Structures cristallines

Matériaux d'anodes

Magnésium

Intermetallic compounds

Energy conversion

Crystal structures

Anode materials

Magnesium

Résumé

Ce travail s'inscrit dans une thématique générale centrée sur la production et le stockage de l'énergie. L'étude concerne les systèmes de conversion de type métal-air, MAFC (Métal Air Fuel Cells) qui font partie de la famille des piles à combustible. L'anode consommable joue un rôle essentiel de réservoir d'énergie, déterminant dans les caractéristiques et les performances de ces dispositifs. La recherche de matériaux de substitution au métal de l'anode a été la motivation principale et le cadre de ce travail a été limité aux matériaux à base de magnésium. Les matériaux sélectionnés ont été préparés par différentes voies de synthèse et caractérisés par diffraction des rayons X et microscopie électronique. Les structures cristallines complexes et désordonnées de trois phases intermétalliques ont été résolues. L'étude des comportements électrochimiques de ces matériaux a permis de déterminer leur résistance à la corrosion en milieu salin et alcalin. La méthode de mise en forme s'est avérée importante pour ces matériaux dont les comportements varient en fonction de la compacité de l'électrode. Les performances des matériaux utilisés comme anode ont été évaluées au sein de piles de type métal air face à une cathode de Pd/C alimentée par un flux continu d'oxygène. Parmi les composés sélectionnés figurent MgB2 (structure en feuillets), Mg2Si (structure covalente), Mg3Ag, Mg4Ag et Mg2Al3 aux structures complexes basées sur des empilements polyédriques compacts. C'est le composé intermétallique Mg2Al3 qui a montré les comportements les plus intéressants avec une remarquable stabilité dans le temps au sein d'une pile.

This work takes place within a general framework centered on energy production and storage. It concerns the Metal Air Fuel Cell (MAFC) devices which are a part of the fuel cells family. The anode, as an energy reserve, plays an essential part in the characteristics and the performances of these systems. The main goal of this work, which has been limited to Mg-based compositions, was to find substitution materials for the metal at anode. The selected materials have been prepared by various methods and characterized by X-ray diffraction and electron microscopy. Three complex and disordered structures have been solved. Electrochemical studies were employed to determine the corrosion resistance in saline and alkaline media. The conditioning of the electrodes appeared important because materials behavior can vary with the density of the electrode. Performances of materials used as anodes in metal air cells with a Pd/C oxygen cathode have been determined.The selected compounds include MgB2 (layered structure), Mg2Si (covalent simple arrangement), Mg3Ag, Mg4Ag and Mg2Al3 with complex structures that involve compact polyhedral packing. The best results are obtained with Mg2Al3 that presents a remarkably stable behavior in a metal air device.