La distribution de l'eau dans la pile à combustible rendue visible en 4D
Cette analyse ouvre de nouvelles perspectives pour des piles à combustible plus efficaces et donc plus rentables.
Des équipes du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et de l'University College London (UCL) ont visualisé pour la première fois la répartition de l'eau dans une pile à combustible en trois dimensions et en temps réel en évaluant les données neutroniques du réacteur expérimental de Berlin arrêté en 2019. Cette analyse ouvre de nouvelles possibilités pour des piles à combustible plus efficaces et donc plus rentables.
La pile à combustible (en gris) tourne autour de son axe longitudinal pendant la tomographie. Les données montrent comment le volume d'eau augmente dans les couches fonctionnelles (vert) et les canaux pendant le fonctionnement de la pile. Il se forme moins d'eau dans les canaux de l'anode (rouge) que dans ceux de la cathode (bleu).
© HZB
"Dans une pile à combustible, l'hydrogène et l'oxygène sont combinés pour former de l'eau. Cela produit de l'énergie électrique", explique Ralf Ziesche, du groupe d'imagerie de HZB. "Le composant le plus important à l'intérieur de la pile à combustible est probablement la membrane". Elle n'a qu'une vingtaine de micromètres d'épaisseur (la moitié de la largeur d'un cheveu humain) et est reliée à diverses couches fonctionnelles pour former une zone de séparation d'environ 600 micromètres de large à l'intérieur de la pile à combustible.
"Le composite de la membrane arrache les électrons aux atomes d'hydrogène. Seuls les noyaux d'hydrogène - les protons - peuvent traverser la membrane." Les électrons, eux, s'écoulent via une connexion électrique et sont utilisés comme courant électrique. De l'autre côté de la paroi de séparation, on laisse entrer l'air. L'oxygène qu'il contient réagit avec les protons qui traversent la membrane et les électrons qui reviennent de l'autre côté du circuit électrique. De l'eau pure est produite.
La fonction des canaux
"Une partie de l'eau est évacuée. Une autre partie doit rester dans la pile à combustible, car la membrane ne doit pas se dessécher", explique Ralf Ziesche. "Mais s'il y a trop d'eau, les protons ne peuvent plus pénétrer la membrane. Des zones mortes se forment à ces endroits, et la réaction ne peut plus s'y produire. Le rendement de l'ensemble de la pile à combustible chute." Pour permettre l'entrée et la sortie de l'hydrogène, de l'air et de l'eau, de minuscules canaux sont fraisés dans des plaques métalliques de part et d'autre de la membrane. Ces canaux peuvent être utilisés pour optimiser les piles à combustible et accroître leur efficacité. Ainsi, la conception des canaux est la clé d'un mouillage équilibré de la cellule et d'une efficacité optimale.
Des neutrons pour la détection de l'eau
Pour ce faire, il est avantageux d'avoir une image aussi précise que possible de la distribution de l'eau dans les canaux. Tel était l'objectif d'une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrochemical Innovation Lab (EIL) de l'University College London (UCL) et HZB. "En principe, nous avons soumis la pile à combustible à la tomographie assistée par ordinateur, telle qu'elle est utilisée en médecine, explique Nikolay Kardjilov, du groupe d'imagerie du HZB. Mais alors que les rayons X sont utilisés pour les analyses médicales, Nikolay Kardjilov et son équipe ont préféré utiliser le rayonnement neutronique. "En effet, les rayons X fournissent un contraste d'image beaucoup trop faible entre l'hydrogène et l'eau d'un côté et la structure métallique de l'autre. Les neutrons, en revanche, sont ici idéaux."
Pile à combustible rotative
Cette tâche était assez délicate. Car pour obtenir une image tridimensionnelle, la source de rayonnement doit faire le tour de l'objet à imager. En médecine, ce problème est assez facile à résoudre. Là, la source de rayonnement et le scanner tournent autour du patient, qui repose sur une table. "Mais notre source de rayonnement était le réacteur expérimental BER II de Berlin, où nous avions installé notre station d'imagerie CONRAD. Et nous ne pouvons pas simplement la faire tourner autour de notre échantillon de pile à combustible", explique Nikolay Kardjilov. Mais grâce à une astuce technique, son équipe a réussi à déplacer la pile à combustible, y compris les conduites d'alimentation en hydrogène et en air, la conduite d'évacuation de l'eau et les câbles électriques, dans le faisceau de neutrons. "Jusqu'à présent, l'imagerie neutronique ne permettait de produire que des images bidimensionnelles de l'intérieur de la pile à combustible. Maintenant, pour la toute première fois, nous avons également rendu visible la distribution de l'eau en trois dimensions et en temps réel", se réjouit le physicien. Le BER II est arrêté depuis la fin de l'année 2019. Mais les travaux seront poursuivis dans le cadre du groupe de recherche commun "NI-Matters" entre HZB, l'Institut Laue-Langevin (ILL, France) et l'Université de Grenoble (France).
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Ralf F. Ziesche, Jennifer Hack, Lara Rasha, Maximilian Maier, Chun Tan, Thomas M. M. Heenan, Henning Markötter, Nikolay Kardjilov, Ingo Manke, Winfried Kockelmann, Dan J. L. Brett & Paul R. Shearing; High-speed 4D neutron computed tomography for quantifying water dynamics in polymer electrolyte fuel cells; Nature Communications (2022)
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