Gestion de l'eau et dégradation dans les micropiles à combustible planaires

Water management and degradation in planar micro fuel cells

• Auteur / Autrice : Erwan Coz
• Direction : Gérard Gebel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 19/09/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gérald Pourcelly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jessica Théry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Lapicque, Olivier Lottin, Yann Bultel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutronographie

Gestion des ressources en eau

Durée de vie (ingénierie)

Électrochimie industrielle

Électrochimie

Mots clés libres

Micropile à combustible

Électrochimie

Durabilité

Matériaux

Gestion de l'eau

Imagerie neutronique

Micro fuel cell

Electrochemistry

Durability

Materials

Water management

Neutron imaging

Résumé

Les micropiles à combustibles sont envisagées pour remplacer ou prolonger l’autonomie des batteries dans les dispositifs nomades. Dans ce domaine, la miniaturisation très poussée a abouti à la réalisation de prototypes planaires multi-cellules d’une puissance de 3 à 5 W. La différence d’architecture par rapport aux piles à combustibles « classiques », l’absence d’auxiliaires de fonctionnement et l’utilisation direct de l’air ambiant comme réactif amènent de nouvelles problématiques au niveau de la gestion de l’eau produite. Le travail de cette thèse porte sur la caractérisation de la gestion de l’eau et l’augmentation de la durée de vie d’un système de micropiles à combustible planaire « à respiration », à température ambiante. L’impact prépondérant de la thermique a été mis en avant, au niveau des points de fonctionnement (noyage aux faibles densités de courant et assèchement aux forts courants) comme au niveau local (gradients entre cellules). Les phénomènes d’assèchement et de noyage ont été étudiés grâce à l’imagerie neutronique. Un des principaux phénomènes observé est la rétrodiffusion d’eau vers l’anode suite une condensation au niveau de la cathode, conduisant à une importante perte de puissance. Une étude de la dégradation lors de fonctionnement longue durée a permis de montrer qu’une mauvaise gestion de l’eau favorise la corrosion d’éléments métalliques, conduisant à une diminution des performances. Une solution visant à éliminer ces phénomènes a été développée et implémentée avec succès. L’intégration du microporeux développé lors de cette thèse a permis d’atteindre une dégradation de 0,1 mV/h sur 2500 h de fonctionnement à 3,5 W.

Micro fuel cells have been considered as potential substitute or complement to batteries for nomad systems, in order to enhance their autonomy. Miniaturization of these objects led to the development of multi-cells planar arrays delivering 3 to 5 W. The specificities of this design compared to the “conventionnal” fuel cell stack architecture, coupled to the removal of peripheral components and the use of ambient air as oxidant, comes along with new challenges concerning water management. This work is focused on the characterization of water management and the lifetime improvement of a planar air-breathing fuel cell array at ambient temperature. Thermal effects have been demonstrated to be of first order concerning the operating conditions (flooding at low current density and drying-out at elevated one) and the local heterogeneities (between cells). Drying-out and flooding have been investigated using neutron imaging. One of the major phenomena observed is back-diffusion linked to water condensation on the cathode side, leading to anodic water accumulation and concomitant power decrease. Investigation of the degradation during long term operation pointed out corrosion of metallic elements as the major issue involved in performance decrease. Development and successful implementation of a solution to counter these troubles led to a limited degradation of 0.1 mV/h during a 2500 h operation at 3.5 W.