Transferts couplés dans les piles à membrane

Présentation générale

Grâce à leur température de fonctionnement modérée et leur grande compacité, les piles à combustible à membrane sont sans doute la catégorie de pile à combustible la plus étudiée. Des avancées importantes ont été réalisées ces dernières années, notamment en terme de densité de puissance et de durée de vie. Néanmoins, de nombreux progrès restent à accomplir, qui réclament en particulier une compréhension précise des phénomènes de transferts couplés de chaleur, de charge, et de matière qui se produisent en cœur de pile. Ceci étant dit, la complexité d'un assemblage membrane-électrodes résulte également de la géométrie des différents éléments qui le composent : les plaques bipolaires, les couches de diffusion, les électrodes et la membrane sont des milieux dont les structures sont très différentes. Les écoulements d'air et d'hydrogène sont tridimensionnels et l'eau peut être présente en phase liquide et/ou vapeur.

Les travaux de l'équipe piles à combustible s'articulent autour de 5 points :
  • Modélisation des phénomènes de transport couplés de matière, de chaleur et de charges dans les assemblages membranes-électrodes (AME) des piles
  • Modélisation des phénomènes de transport (eau et protons) dans les membranes électrolytes
  • Approche expérimentale pour étayer les modèles : tests de cellules et de piles, spectroscopie d'impédance, instrumentation de cellules prototypes, bilan en eau
  • Spectroscopie RMN pour l'analyse du transport de l'eau par diffusion et électro-osmose dans la membrane. Analyse des hétérogénéités de fonctionnement par IRM
  • Analyse énergétique des systèmes à pile à combustible

Les objectifs principaux de ces travaux sont d'optimiser l'efficacité, la compacité et la durée de vie des piles. Nous fabriquons et instrumentons nos piles.

Collaboration scientifiques

  • GDR Pacte (Piles à Combustible Tout Electrolyte) CNRS
  • Institut de Recherche sur l'Hydrogène de Trois Rivières au Canada
  • FC Lab Belfort
  • CEA

Collaborations industrielles

  • Hélion, PSA, Axane, Air Liquide

Contacts

  • Olivier Lottin, olivier.lottin AT ensem.inpl-nancy.fr
  • Sohie Didierjean, sophie.didierjean AT ensem.inpl-nancy.fr

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