Lien IN et EX situ : Transport et Répartition d'Eau en fonctionnement dans les Membranes échangeuses d’IonS – INEXTREMIS

INEXTREMIS est un projet de recherche fondamental, de type exploratoire, qui vise à accroître la compréhension des phénomènes de transport de charge/masse (proton/eau) impliqués dans le fonctionnement des piles à combustible à électrolyte polymère. Cela dans le but d’établir des liens pertinents entre la teneur en eau de l’électrolyte et son évolution avec les performances électrochimiques globales du système pile.

Trois méthodes complémentaires de diffusion des rayonnements seront employées pour la détermination des profils de concentration en eau dans l’épaisseur de l’électrolyte en fonctionnement. La diffusion Raman pour son excellente définition spatiale (de quelques µm3), est une technique émergente pour l'étude de ce type de problème. Les diffusions des rayonnements aux Petits Angles (neutrons et RX) sont des techniques déjà employées et validées pour obtenir des profils d'eau dans les polymères. En particulier, la diffusion des neutrons servira de référence ici mais, son emploi ne peut-être effectif que pour des actions ponctuelles et bien ciblées et ceci en fonction de la disponibilité et de l'accès aux grands instruments.

La répartition de l’eau dans le polymère n’étant pas homogène, les profils d’eau en fonctionnement seront déterminés en fonction du régime électrochimique et de la localisation spatiale. En effet, le taux d’hydratation du polymère est différent en entrée, au milieu et en sortie du système mais aussi dans le canal de distribution des gaz et sous les dents de collection de courant.

Parmi les résultats attendus de ce projet, on peut souligner que seront déterminé les coefficients de diffusion de l'eau à l'échelle locale (micrométrique) et les coefficients d'électroosmose dans des membranes Nafion et Aquivion. D'autre part, de nouvelles membranes à structure hiérarchique seront mises en forme. Leurs propriétés électrochimiques seront évaluées et les tests en pile couplés aux analyses Raman permettront d'évaluer l'impact de cette nouvelle structure, notamment à l'interface entre les deux matériaux membranaires, sur le profil du gradient d’hydratation interne.

La modélisation et la simulation du transport d'eau dans les membranes polymères pourront être affinées, à partir des différents coefficients (diffusion, électroosmose) obtenus expérimentalement. La proposition du design de nouvelles membranes hiérarchiques sera alors possible, avec comme premier test les membranes multicouches Nafion/Aquivion que nous nous proposons d'évaluer.

INEXTREMIS est un projet exploratoire qui s'étend de la mise au œuvre de méthodes expérimentales innovantes jusqu’à la modélisation et à la mise en forme de nouvelles membranes modèles. L’analyse fine des phénomènes de transport, hautement couplés et complexes, qui ont lieu dans le cœur des PEMFC et qui en déterminent le comportement électrochimique, requiert la mise en œuvre parallèle de plusieurs techniques expérimentales ex et in situ, hors et en fonctionnement. L’approche proposée dans ce projet consiste donc non seulement à utiliser des techniques émergeantes, capables de fournir des informations inaccessibles auparavant, mais aussi à découpler l’ensemble des phénomènes physiques mis en jeu au moyen d’expériences complémentaires dédiées. La comparaison des résultats obtenus ex et in situ devra permettre de vérifier si, et jusqu’à quel point, les valeurs acquises à partir des mesures sur des membranes hors cœur de pile, obtenus en conditions homogènes et généralement non dynamiques, sont pertinentes pour modéliser le comportement de l’électrolyte soumis aux contraintes du fonctionnement réel en pile. Cela est, à notre avis, la seule démarche réaliste pour établir des liens entre les caractéristiques structurales de l’électrolyte, ses propriétés physiques (notamment d’hydratation) et les conditions expérimentales.