Hydrogène, systèmes électrochimiques

Présentation générale

Vidéo de présentation
Vidéo Piles à combustible

Les piles à combustibles à membrane polymère fonctionnent à des températures modérées (50-80°C) et sont particulièrement compactes. Il s'agit de la catégorie de piles à combustible la plus étudiée car elles peuvent convenir à un très grand nombre d'applications : véhicules, générateurs électriques stationnaires ou portables, ... . Elles sont constituées d'éléments de géométrie et de structure complexes où se produisent -en plus de la conversion électrochimique- des phénomènes de transferts couplés de chaleur, de charge, et de matière. La compréhension précise de ces différents phénomènes permet d'améliorer sensiblement la compacité, les performances ainsi que la durée de vie des piles à combustible, et de concevoir et caractériser les matériaux nécessaires à ces progrès.

Travaux actuels

Les travaux de l'équipe s'appliquent à l'ensemble des composants élémentaires d'une pile à combustible :

  • Conversion électrochimique, transferts couplés de charge et de matière dans les électrodes.
  • Vieillissement et dégradation des électrodes.
  • Transferts de charge et d'eau dans les membranes électrolytes polymère.
  • Transfert d'eau et de chaleur dans les couches de diffusion (GDL et MPL).
  • Ecoulements diphasiques dans les canaux des plaques bipolaires.

Nos approches sont essentiellement expérimentales, mais toujours associées à des modèles numériques permettant de valider et d'interpréter les résultats. Ils visent à optimiser le fonctionnement des piles dans leur ensemble, en agissant sur les interactions entre leurs différents composants.

Compétences

Nous avons développé un ensemble de compétences expérimentales permettant de caractériser les propriétés des matériaux utilisés dans les piles à combustible ainsi que les phénomènes physiques qui s'y produisent. Les techniques utilisées reposent à fois sur les outils habituels de l'électrochimie, que l'on adapte aux spécificités des cellules et sur ceux de la thermique et de la mécanique.

  • Conception et fabrication de cellules segmentées permettant de mesurer les conditions de fonctionnement locales.
  • Instrumentation de ces cellules : parois transparentes, micro-thermocouples, fluxmètres, électrodes de référence...
  • Spectroscopie et imagerie RMN pour la caractérisation de la diffusion et de l'électro-osmose dans les membranes.
  • Caractérisation thermique et électrique des matériaux ex-situ.
  • Impédancemétrie, voltampérométrie cyclique.
  • Test de vieillissement.
  • Optimisation de l'architecture thermique et fluidique des piles à travers la conception et la fabrication de prototypes innovants.

Applications industrielles et sociétales

Les piles à combustible produisent de l'électricité à partir d'hydrogène en ne rejetant aucun polluant. Leurs applications potentielles dans la société moderne sont très nombreuses : transport, alimentation électrique de sites isolés, générateurs électriques stationnaires ou portatifs, cogénération d'électricité et de chaleur, stockage/déstockage d'électricité renouvelable (associées à un électrolyseur). Nous contribuons au développement de ces applications avec des partenaires industriels comme Air Liquide, Areva ou le CEA.

Le LEMTA participe au programme Hydrogène Horizon Energie.

Contacts

Olivier Lottin, olivier.lottin AT univ-lorraine.fr