Une étude aux rayons X a révélé la taille et la distribution de minuscules poches d'eau dans les composants fibreux des piles à combustible à différentes températures. Crédit :Berkeley Lab
Comme une serre bien entretenue, un type spécialisé de pile à combustible à hydrogène - qui est prometteuse en tant que source d'énergie renouvelable de nouvelle génération pour les véhicules et autres utilisations - nécessite des contrôles précis de la température et de l'humidité pour être à son meilleur. Si les conditions internes sont trop sèches ou trop humides, la pile à combustible ne fonctionnera pas bien.
Mais voir à l'intérieur d'une pile à combustible en état de marche à des échelles minuscules pertinentes pour la chimie et la physique d'une pile à combustible est un défi, les scientifiques ont donc utilisé des techniques d'imagerie par rayons X au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et au Argonne National Laboratory du ministère de l'Énergie pour étudier le fonctionnement interne des composants des piles à combustible soumis à une gamme de conditions de température et d'humidité.
L'équipe de recherche, dirigé par Iryna Zenyuk, un ancien chercheur postdoctoral du Berkeley Lab maintenant à l'Université Tufts, comprenaient des scientifiques de la division du stockage d'énergie et des ressources distribuées du Berkeley Lab et de la source lumineuse avancée (ALS), une source de rayons X connue sous le nom de synchrotron.
L'ALS permet aux chercheurs d'imager en 3D à haute résolution très rapidement, leur permettant de regarder à l'intérieur des piles à combustible en fonctionnement dans des conditions réelles. L'équipe a créé un banc d'essai pour imiter les conditions de température d'une pile à combustible polymère-électrolyte en fonctionnement qui est alimentée en gaz hydrogène et oxygène et produit de l'eau comme sous-produit.
"La gestion de l'eau et la température sont critiques, " a déclaré Adam Weber, un scientifique du domaine des technologies énergétiques au Berkeley Lab et directeur adjoint d'un effort de recherche sur les piles à combustible multi-laboratoires, le Consortium sur les piles à combustible pour la performance et la durabilité (FC-PAD).
L'étude a été publiée en ligne dans la revue Electrochimica Acta .
La recherche vise à trouver le bon équilibre d'humidité et de température au sein de la cellule, et comment l'eau sort de la cellule.
Des expériences de rayons X à température contrôlée sur des composants de piles à combustible ont été menées à la source de lumière avancée du laboratoire Berkeley (en bas à gauche) et à la source de photons avancée du laboratoire national d'Argonne (en bas à droite). Les rendus informatiques (en haut) montrent le porte-échantillon spécialisé, qui comprenait un élément chauffant près du sommet et des serpentins de refroidissement à la base. Crédit :Berkeley Lab
Contrôler comment et où la vapeur d'eau se condense dans une cellule, par exemple, est essentiel pour ne pas bloquer les gaz entrants qui facilitent les réactions chimiques.
"L'eau, si vous ne le supprimez pas, peut recouvrir le catalyseur et empêcher l'oxygène d'atteindre les sites de réaction, ", a déclaré Weber. Mais il doit y avoir un peu d'humidité pour garantir que la membrane centrale de la cellule puisse conduire efficacement les ions.
L'équipe de recherche a utilisé une technique aux rayons X connue sous le nom de micro tomodensitométrie à rayons X pour enregistrer des images 3D d'un échantillon de pile à combustible mesurant environ 3 à 4 millimètres de diamètre.
"L'ALS nous permet d'imager en 3D à haute résolution très rapidement, nous permettant de regarder à l'intérieur des piles à combustible en fonctionnement dans des conditions réelles, " a déclaré Dula Parkinson, un chercheur de l'ALS qui a participé à l'étude.
La cellule d'échantillon comprenait de fines couches de fibre de carbone, appelées couches de diffusion de gaz, qui, dans une cellule de travail, prend en sandwich une membrane centrale à base de polymère recouverte de couches de catalyseur des deux côtés. Ces couches de diffusion de gaz aident à distribuer les produits chimiques réactifs, puis à éliminer les produits des réactions.
Weber a déclaré que l'étude utilisait des matériaux pertinents pour les piles à combustible commerciales. Certaines études antérieures ont exploré comment l'eau s'infiltre et est évacuée des matériaux des piles à combustible, et la nouvelle étude a ajouté des contrôles et des mesures de température précis pour fournir de nouvelles informations sur la façon dont l'eau et la température interagissent dans ces matériaux.
Expériences complémentaires à l'ALS et à la source avancée de photons d'Argonne, un synchrotron spécialisé dans une autre gamme d'énergies de rayons X, fourni des vues détaillées de l'évaporation de l'eau, condensation, et la distribution dans la cellule lors des changements de température.
