Thi Bich Hue TRAN
a soutenu sa thèse le 19 Décembre 2017 :
Gestion de l’eau dans les piles à combustible électrolyte polymère : Etude par micro-spectroscopie Raman Operando
Water management in the polymer electrolyte membrane fuel cells: study by operando micro-spectroscopy Raman
École doctorale Sciences Chimiques Balard
Préparée au sein de l’école doctorale Sciences Chimiques Balard et de l’unité de recherche – Institut Européen des Membranes (UMR 5635) – .
Spécialité : Chimie et Physicochimie des Matériaux
devant le jury composé de :
• Pr. Laurent SERVANT, Université de Bordeaux, Rapporteur
• Dr. Pierre BOILLAT, Ingénieur, Institut Paul Scherrer, Rapporteur
• Pr. Lasâad DAMMAK, IUT de Créteil-Vitry, Examinateur
• Dr. Arnaud MORIN, Ingénieur, CEA-Grenoble, Examinateur
• Pr. Patrice HUGUET, Université de Montpellier, Directeur de thèse
• Dr. Stefano DEABATE, ENSCM Montpellier, Co-encadrant de thèse
Résumé :
Les performances et la durabilité d’une pile à combustible à membrane échangeuse de proton sont directement liées à la répartition de l’eau dans l’assemblage membrane-électrode. L’optimisation de cette répartition consiste à obtenir une concentration d’eau suffisante et homogène pour une bonne hydratation de la membrane et de la phase ionomère dans les électrodes. La répartition de cette eau dépend des conditions de fonctionnement et de la géométrie des canaux de distribution des gaz dans les plaques mono ou bipolaires. L’état d’hydratation de la membrane joue également un rôle essentiel dans la distribution de l’eau entre l’anode et la cathode. Cependant, l’effet de ces paramètres n’est pas encore entièrement élucidé malgré de nombreuses études antérieures.
Ce travail de thèse emploie la spectroscopie Raman operando pour mesurer exactement la teneur locale en eau de la membrane dans une pile en fonctionnement. La première partie se focalise sur l’effet des conditions d’humidification des gaz et celui de la température de fonctionnement sur les performances et la distribution de l’eau dans une pile ayant une configuration des canaux de distribution des gaz en serpentin. Les profils d’eau à travers l’épaisseur de la membrane au centre de la surface active sont enregistrés et reliés aux données macroscopiques du transport de matière. Dans la deuxième partie, une pile en configuration « parallèle » est étudiée. Les résultats obtenus nous permettent de comparer directement les comportements de ces deux configurations en terme d’hydratation de la membrane sous la dent de distribution de courant et dans le canal de distribution des gaz. La troisième partie compare les résultats Raman obtenus avec une pile en configuration serpentin, en entrée, au centre et à la sortie de la surface active.
L’ensemble de ces informations nous apporte la connaissance exacte de l’état d’hydratation réel de l’électrolyte polymère et nous permet ainsi d’avancer vers une meilleure compréhension sur la répartition de l’eau et sur les liens directs avec les performances de la pile.
Mots-clés : Spectroscopie Raman operado, pile à combustible à membrane échangeuse de proton, gestion de l’eau, géométrie des canaux de distribution des gaz
Abstract:
Performance and the durability of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) are directly related to the water repartition in the membrane-electrode assembly (MEA), particularly in the membrane electrolyte. The optimization of this repartition implies to attain homogeneous water concentration throughout the electrochemical system and, at the same time, enough water amount or the hydration of the membrane and the ionomer phase in the electrodes. Water distribution depends both on the fuel cell operating conditions and on the gas flow-field design. Also, the membrane hydration plays a key role on the water distribution between anode and cathode. However, the effect of these parameters is not yet fully understood despite numerous studies.
This work uses operando Raman spectroscopy to measure exactly the local water content of the membrane in the working fuel cell. The first part of this thesis focuses on the influence of gas humidification and operating temperature conditions on the performance and the water distribution in a serpentine flow-field cell. The inner water profiles across the membrane thickness at the middle of the active surface are recorded and discussed together with macroscopic data concerning mass transport phenomena. Relationship between the water distribution and the performance of the cell will be discussed. In the second part, a fuel cell with parallel flow-field channel design is investigated. Results allow the comparison of the serpentine and parallel designs in terms of membrane hydration at the rib/channel scale. The third part deals with Raman results obtained at the inlet, middle and outlet of the serpentine cell. The whole information obtained in this work gives the exact knowledge of the polymer electrolyte hydration state and, thus, allow the better understanding of relationships existing between the water distribution and the fuel cell performances.
Keywords: Operando Raman spectroscopy, proton exchange membrane fuel cell, water management, flow-field design.
