Mise en forme de nanotubes de carbone alignés comme nouveaux microporeux pour couche de diffusion de gaz des piles à combustible

Shaping of vertically aligned carbon nanotubes as a novel microporous layer structure for gas diffusion layer in PEMFCs

• Auteur / Autrice : Guillaume Donadey
• Direction : Mathieu Pinault, Arnaud Morin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie - DRF/IRAMIS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Edifices Nanométriques
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Pile à combustible

Pemfc

Nanotubes de carbone

Couche microporeuse

Couche de diffusion de gaz

Fuel cell

Gas diffusion layer

Pemfc

Microporous layer

Carbon nanotubes

Résumé

Ce travail de thèse s'intéresse au développement d'une nouvelle structure de microporeux pour couche de diffusion de gaz de PEMFC. Le développement de nouveaux matériaux pour piles de type PEM est une nécessité pour améliorer la densité de puissance fournie, réduire le coût des matériaux et le prix du système. Les PEMFC souffrent de problématiques reliées à la distribution d'eau liquide à l'intérieur de la pile, et notamment dans ses couches poreuses. Le microporeux est une des couches poreuses dont le rôle est d'optimiser cette répartition d'eau. Développer une nouvelle structure de microporeux peut permettre d'apporter des informations supplémentaires sur les paramètres influant la gestion de l'eau dans la cellule, et également donner une voie d'amélioration des performances de la pile. . Dans le cadre du projet PEPR (Programme et Equipements Prioritaires de Recherche) H2 PEMFC95, les Départements CEA de l'IRAMIS (Saclay) et de l'Hydrogène pour le Transport (LITEN-DEHT Grenoble) vont collaborer sur l'élaboration de matériaux de GDL optimisés et innovants à base de nanotubes de carbone, plus adaptées aux conditions de fonctionnement définies. Les tapis de NTC alignés ont en effet démontré leur efficacité en tant que couche microporeuse [1]. Les performances sont au moins similaires à la meilleure couche de diffusion de gaz de l'état de la technique en fonction des conditions, et une amélioration jusqu'à 30% de la densité de puissance a pu être obtenue, sans aucun traitement hydrophobe. Pour ce sujet de thèse, nous proposons de poursuivre les développements de ces couches de diffusion intégrant des NTC pour leur intérêt en terme de stabilité vis-à-vis de l'oxydation et leur hydrophobicité en réalisant des couches microporeuses présentant une porosité variable. L'objectif est de les substituer à la GDL tout en améliorant la compréhension sur son rôle et d'une manière générale sur les phénomènes de transport dans un cœur de PEMFC. Pour ce faire, le travail comporte deux volets. Un volet matériaux avec des aspects de fabrication et de caractérisation des propriétés fonctionnelles et un volet électrochimie avec des mesures en pile à combustible

This thesis work focuses on the development of a new microporous structure for PEMFC gas diffusion layers. The development of new materials for PEM feul cells is a necessary to improve the power density delivered, to reduce the cost of materials and the price of the system. PEMFCs suffer from problems related to the distribution of liquid water inside the cell, and especially in its porous layers. The microporous layer is one of the porous layers whose role is to optimize this water distribution. Developing a new micro-porous structure can provide additional information on the parameters influencing water management in the cell, and also give a way to improve the fuel cell performance. As part of the PEPR project (Priority Research Program and Equipment) H2 PEMFC95, the CEA Departments of IRAMIS (Saclay) and Hydrogen for Transport (LITEN-DEHT Grenoble) will collaborate on the development of optimized and innovative GDL materials based on carbon nanotubes, more suitable for the operating conditions defined. Aligned CNT mats have indeed demonstrated their effectiveness as a microporous layer [1]. Performances are at least similar to the best gas diffusion layer of the state of the art depending on the conditions, and an improvement of up to 30% in power density could be obtained without any hydrophobic treatment. For this thesis subject, we propose to improve the developments of these diffusion layers integrating CNTs for their interest in terms of stability with respect to oxidation and their hydrophobicity by producing microporous layers with variable porosity. The objective is to substitute them for the GDL while improving understanding of its role and generally on transport phenomena in a PEMFC core. To do this, work has two parts. A materials section with aspects of manufacturing and characterization of functional properties of the microporous layer and an electrochemistry section with fuel cell measurements.