Genèse de l'AEMFC (pile à combustible à membrane échangeuse d'anions) à l'échelle du laboratoire : de la composition des encres de PEMFC aux tests de piles à combustible alcalin

Genesis of AEMFC (anion exchange membrane fuel cell) at the lab scale : from PEMFC’s inks composition toward fuel cell bench tests in alkaline media

• Auteur / Autrice : Zarina Turtayeva
• Direction : Gaël Maranzana, Feina Xu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Marian Chatenet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Maranzana, Feina Xu, Bruno G. Pollet, Nathalie Job
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno G. Pollet, Nathalie Job
• DOI : 10.70675/5afef655z8c41z4153zbb45zb61d67b3f309

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ionomères

Réactifs sur support

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Piles à combustible à membranes anioniques

Mots clés libres

Pile à combustible à membrane échangeuse d'anions

Pile à combustible à membrane échangeuse des protons

Couche catalytique

Encre catalytique

Triple phases région (TPB)

Ionomère échangeur d'anions

Anion exchange membrane fuel cells

Proton exchange membrane fuel cells

Catalyst layer

Catalyst ink

Triple phase boundary (TPB)

Anion exchange ionomer (AEI)

Résumé

Les piles à combustible à membrane échangeuse d'anions (AEMFC) ont récemment attiré l'attention en tant que piles à combustible alternatives à faible coût aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons traditionnelles en raison de l'utilisation possible d'électrocatalyseurs non-nobles. Bien que l'AEMFC ressemble à la PEMFC, les problèmes de gestion de l'eau sont plus prégnants dans une AEMFC car l'ORR en milieu alcalin nécessite de l'eau, tandis qu'en même temps, de l'eau est produite en grande quantité du côté de l'anode. Pour mieux comprendre la gestion de l'eau dans ce type de pile à combustible, il faut d'abord développer et acquérir de l'expérience avec ce type de pile à combustible à l'échelle du laboratoire. Puisque les matériaux prêts à l'emploi n'existaient pas au commencement de la thèse, nous avons dû fabriquer nos propres assemblages électrode-membranes (AMEs) à partir des matériaux disponibles dans le commerce. Etant donné que la thématique de fabrication des AMEs est nouvelle pour les chercheurs du LEMTA, cette thèse est articulée en deux parties, une dédiée à la formulation, la préparation et l'optimisation des AMEs pour PEMFC ; et une autre dédiée au développement d'AEMFC. Les résultats ont indiqué que la composition et préparation de l'encre, ainsi que la manière de déposer l'encre modifient systématiquement la structure de l'électrode, de même que ses performances en piles à combustible. En outre, l'étude fournit des informations sur les procédures et les méthodes pour les tests en AEMFC. Ici, nous souhaiterions partager notre savoir-faire avec les nouveaux venus dans le domaine de la préparation des AMEs pour piles à combustibles à membranes échangeuses d'ions.

Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) have recently attracted significant attention as low-cost alternative fuel cells to traditional proton exchange membrane fuel cells as a result of the possible use of platinum-group metal-free electrocatalysts. Although AEMFC is a mimic of PEMFC but working in an alkaline medium, water management issues are more severe in AEMFC because ORR in alkaline media requires water, while at the same time water is produced at the anode side. To better understand water management in this type of fuel cell, it is necessary first to develop and gain experience with this kind of fuel cell on the laboratory scale. Since no ready-to-use materials are available at the beginning of the project, the necessity of fabricating homemade MEAs from commercially available materials becomes a reality that we must face. As MEA fabrication is a new topic to LEMTA's researchers, this is why this thesis was divided into two parts: one part dedicated to the formulation, preparation, and optimization of MEAs for PEMFC through physico-chemical and electrochemical characterizations; another part dedicated to the development of AEMFC. The results indicated that ink deposition, composition, and preparation systematically change the electrode structure and thus affect fuel cells performance. Furthermore, the study provides information on the AEMFC procedures and methods. Here, we would like to share our know-how with newcomers in the field of preparation of MEA in ion exchange membrane fuel cells.