01 décembre 2014
Vieillissement des membranes pour pile : diagnostic 3D et cartographie des dégâts

Principe de l'expérience de microfaisceau au synchrotron, permettant de sonder la structure d'une membrane vieillie avec une résolution inférieure au micron (Y-scans). Spectres typiques montrant deux phénomènes de dégradation après 2500 heures de fonctionnement en pile à combustible : un gonflement nanométrique hétérogène entre l'anode et la cathode, l'existence de réorganisations de la matrice polymère.

Des expériences au synchrotron ont permis de cartographier avec une résolution exceptionnelle la nanostructure d’une membrane ayant fonctionné 2500 heures en pile à combustible.  Il s’agit du premier diagnostic 3D de la nature, de la localisation et de la sévérité de la dégradation physique, très hétérogène, en fonction du design de la pile et des conditions opératoires.

 

La durée de vie des piles à combustibles est limitée par le vieillissement des différents constituants, en particulier la dégradation physique des membranes polymères qui servent de séparateur et électrolyte. On peut assez facilement constater les dégâts post-mortem : trous, craquage, délamination, qui conduisent à l’arrêt final. Mais comment anticiper ces dégâts, et prédire où ils vont se produire ? Nous avons effectué une expérience non-intrusive permettant d’analyser à l’échelle microscopique l’état d’une membrane ayant fonctionné 2500 heures en pile à combustible, et ceci à différents endroits par rapport au montage de la pile : près/loin des électrodes, près/loin de l’arrivée des gaz (air et hydrogène), sous les canaux de distribution ou sous les dents collectrices de courant.

 

La clé du succès est d’utiliser la résolution spatiale exceptionnelle qui peut être obtenue avec un microfaisceau de rayons X produit par une source synchrotron. On peut alors échantillonner finement la membrane, aussi bien dans son épaisseur que sur toute sa surface. Les spectres de diffusion ont révélé des inhomogénéités très importantes par rapport à une membrane neuve, dues à la dégradation continue (exposition à de l’eau pendant longtemps à haute température) ou bien locale (zones soumises à des gradients ou des contraintes provoquant de fortes réorganisations du polymère à l’échelle nanométrique). Nos résultats permettront d’améliorer le design de la pile et de nourrir les modèles numériques pour l’optimiser. Ce travail a été financé par le programme NTE du CEA et est le fruit d’une collaboration entre l’INAC et le LITEN.  Les expériences ont été faites à l’ESRF sur la ligne mSAXS ID13.

 

Maj : 01/12/2014 (1083)

 

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