La distribution d’eau dans les piles à combustible rendue visible en 4D

Distribution d'eau dans la pile à combustible rendue visible en 4D

Cette séquence montre comment le volume d’eau dans les couches fonctionnelles (en vert) évolue dans le temps lors du démarrage de la pile à combustible. L’eau augmente jusqu’à ce qu’un état d’équilibre entre l’accumulation et la dégradation de l’eau soit atteint. 1 crédit

Des équipes du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et de l’University College London (UCL) ont visualisé pour la première fois la distribution d’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. L’analyse ouvre de nouvelles possibilités pour des piles à combustible plus efficaces et donc plus rentables.

“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 du HZB. “Le composant le plus important à l’intérieur de la pile à combustible est probablement la membrane.” Il ne mesure qu’environ 20 micromètres d’épaisseur (la moitié de la largeur d’un cheveu humain) et est relié à diverses couches fonctionnelles pour former une zone de séparation d’environ 600 micromètres de large à l’intérieur de la pile à combustible.

“La membrane composite arrache les électrons des atomes d’hydrogène. Seuls les noyaux d’hydrogène – les protons – peuvent traverser la membrane.” Les électrons, quant à eux, s’écoulent via une connexion électrique et sont utilisés comme courant électrique. L’air est admis de l’autre côté du mur de séparation. L’oxygène qu’elle contient réagit avec les protons qui traversent la membrane et les électrons qui refluent 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 dedans, les protons ne peuvent plus pénétrer la membrane. Des zones mortes se développent à ces endroits, et la réaction ne peut plus s’y produire. L’efficacité de toute la pile à combustible chute.”







La vidéo montre l’accumulation d’eau dans les canaux cathodiques pendant les 600 premières s du démarrage de la pile à combustible. L’eau commence à se nucléer sur les bords et les coins du canal. 1 crédit

Pour permettre à l’hydrogène, à l’air et à l’eau d’entrer et de sortir, de minuscules canaux sont fraisés dans des plaques métalliques des deux côtés de la membrane. Ces canaux peuvent être utilisés pour optimiser les piles à combustible et augmenter l’efficacité. Ainsi, la conception du canal est la clé d’un mouillage équilibré des cellules 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 répartition de l’eau au sein des canaux. C’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 une tomodensitométrie, 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. “Parce que les rayons X fournissent un contraste d’image bien trop faible entre l’hydrogène et l’eau d’un côté et la structure métallique de l’autre. Les neutrons, en revanche, sont idéaux ici.”

Distribution d'eau dans la pile à combustible rendue visible en 4D

La pile à combustible (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 cellule. Moins d’eau se forme dans les canaux d’anode (rouge) que dans la cathode (bleu). Crédit : © HZB

Pile à combustible rotative

C’était assez délicat. Parce que pour obtenir une image en trois dimensions, la source de rayonnement doit faire le tour de l’objet à imager. En médecine, c’est assez facile à résoudre. Là, la source de rayonnement et le scanner tournent autour du patient, qui se repose sur une table.

“Mais notre source de rayonnement était le réacteur expérimental de Berlin BER II, 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 d’ingénierie, 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 en deux dimensions depuis l’intérieur de la pile à combustible. Désormais, pour la toute première fois, nous avons également rendu visible la distribution de l’eau en trois dimensions et en temps réel”, explique le physicien. heureux de signaler.

La recherche a été publiée dans Communication Nature.


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Plus d’information:
Ralf F. Ziesche et al, tomodensitométrie à neutrons 4D à grande vitesse pour quantifier la dynamique de l’eau dans les piles à combustible à électrolyte polymère, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29313-5

Fourni par l’Association Helmholtz des centres de recherche allemands

Citation: Distribution d’eau dans les piles à combustible rendue visible en 4D (2022, 3 juin) récupéré le 3 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-fuel-cells-visible-4d.html

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