Contribution to the development of IDEAL-Cell, a new concept of intermediate temperature fuel cell
Contribution au développement d'IDEAL-Cell, un nouveau concept de pile à combustible à température intermédiaire
Résumé
Fuel cells are electrochemical devices that allow the conversion of chemical energy directly into electric energy with low impact to the environment. The improvement of fuel cell performances has been done through the synthesis of new materials with better electrical or electrocatalytic properties and the optimization of shaping methods that allow developing more efficient microstructures. A third path to reach the same objective is proposed in the work here presented: the development of IDEAL-Cell, a new concept of intermediate fuel cell. This concept consists in the anode part of a PCFC connected to the cathode part of a SOFC through a porous central membrane in which water is formed and evacuated. The activities developed were focused in two aspects: the fabrication of prototypes and the characterization of the central membrane. The proof of concept (PoC) prototypes were simplified complete cell structures of two dense electrolytes and one porous composite central membrane in which platinum electrodes were coated. They respect the four criteria previously defined as necessary to demonstrate the new concept : (i) a stable open circuit voltage, (ii) a stable polarization curve, (iii) a specific impedance fingerprint for water formation and (iv) detection of water exhausted from the cell as a result of its operation. The ability of the central membrane to allow the formation of water is determined by the measurement of the active reaction sites length. The method proposed is based on the analysis of 3D images of the central membrane obtained by X-ray microtomography. The water flow through the porous structure of the central membrane was studied. 3D images of two different types of structures were used to solve momentum and mass transfer equations through the finite element method.
Une pile à combustible est un système électrochimique (générateur d'énergie) qui permet la conversion directe et en continu, de l'énergie chimique libérée lors d'une réaction d'oxydation d'un combustible, en électricité et en chaleur, et ce avec un très faible (voire aucun) impact sur l'environnement. Diverses stratégies ont été envisagées pour améliorer la performance de ces dispositifs parmi lesquelles l'intégration de matériaux architecturés innovants présentant une formulation chimique et une microstructure propices à l'obtention de meilleures propriétés électrique ou électro catalytique. Une autre voie permettant d'atteindre le même objectif est ce à quoi aspire ce travail en proposant le développement d'un concept de pile à combustible fonctionnant à température intermédiaire. Ce nouveau concept se base sur la jonction de la partie anodique d'une PCFC avec la partie cathodique d'une SOFC, par l'intermédiaire d'une membrane centrale dans laquelle l'eau est formée puis évacuée. Les activités dans le cadre de cette thèse se sont orientées vers la fabrication de prototypes, pour la preuve du concept, et la caractérisation de la membrane centrale. Les prototypes pour la preuve du concept sont des assemblages multicouches simplifiés par rapport à la cellule complète, pour lesquels les deux électrodes ont été substituées par un dépôt de platine. Ces premiers modèles ont été testés et les résultats montrent qu'ils se comportent comme une pile à combustible, en respectant 4 critères prédéfinis : (i) une tension en circuit ouvert (OCV) stable, (ii) une courbe de polarisation stable, (iii) une signature sur les spectres d'impédance complexe typique de la formation d'eau et (iv) une mesure et quantification de l'eau évacuée en fonction du courant traversant la cellule. L'aptitude de la membrane centrale à former et évacuer l'eau a été évaluée par analyse quantitative de la longueur de ces sites réactionnels actifs. La méthode proposée est basée sur l'analyse des images 3D de la membrane centrale, enregistrées par microtomographie X. L'écoulement de l'eau à travers la structure poreuse de la membrane a été étudié. Pour cela, les images 3D de deux microstructures distinctes ont été utilisées pour résoudre les équations de la vitesse d'écoulement et de transfert de masse par la méthode des éléments finis.
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