Tapis de nanotubes de carbone structurés comme nouveau microporeux pour couche de diffusion de gaz des piles à combustible

Autor: Fontana, Marie
Přispěvatelé: Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Université Grenoble Alpes [2020-....], Jean Dijon, STAR, ABES, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Génie des procédés. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. Français. ⟨NNT : 2021GRALI029⟩
Popis: This PhD. work aims to develop a novel microporous layer structure for gas diffusion layers (GDL) in PEMFC. This works is structured by two main axes: the growth and study of this new material, and the electrochemical testing of this novel microporous layer. The new material is based on carbon nanotubes (CNT) vertically aligned directly grown on the GDL fibbers. The growth technique is a chemical vapor deposition method assisted by hot carbon filaments. The specific three-layer catalyst for the growth of such CNT arrays has been developed within the laboratory. The growth substrates are commercial GDLs without a microporous layer nor a hydrophobic treatment. Growth parameters have been studied in order to obtain longer CNT arrays and compare the CNT length role on electrochemical performances. CNT length up to 40µm has been grown. CNTs have a median diameter usually smaller than 10 nm and have multiple walls. The growth time and the reactor chamber temperature are the key parameters to grow long CNT arrays on carbon fibbers.The obtained structure is very innovative compared to commercial microporous layer. The CNTs are grown only on the carbon fibbers of the gas diffusion paper, whereas a commercial microporous layers forms a homogeneous layer above the carbon paper. Moreover, CNT arrays have a specific porosity, added to the porosity due to the carbon paper large pores. Contact angle measurements demonstrate that GDLs with CNTs are hydrophilic, contrary to the commercial GDLs. This is due to the lack of hydrophobic treatment, but the structure of the novel GDL might also be responsible for this result.The study of the electrochemical performances of the GDL are made in a differential cell of 1.8cm². Dry and wet conditions are tested in order to study the GDL role on water management in the cell. First tests underline the importance of the anode GDL on the overall cell performances, and lead to the idea that an asymmetric configuration between anode and cathode GDL material could be advantageous. GDLs with CNTs can function as a microporous layer. Cell configurations using CNTs at the cathode GDL provide better electrochemical performances than the ones without a microporous layer. Moreover, GDLs with CNTs lead to performances at least as good as the commercial GDLs. Longer CNT arrays give better performances than short ones but both are sensitive to cell flooding. Hydrophobic treatments were tested to solve this problem but none was efficient enough. It seems that the GDLs structures has more impact on the performances than the hydrophobicity of the material. Preliminary ageing tests demonstrate that this structure is viable.
Ce travail de thèse a pour objectif de développer une nouvelle structure de microporeux pour couche de diffusion de gaz (GDL) dans les piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Deux grands axes composent cette thèse: la croissance du nouveau microporeux, et le test des performances électrochimiques de ce matériau.Dans un premier temps, le principe de cette nouvelle structure de microporeux repose sur la croissance directe de tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés sur les fibres de carbone composant la GDL. Ces croissances sont obtenues via un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) assisté par filaments chauds en carbone. Le catalyseur tri-couche spécifique permettant la production de tels matériaux a été développé au sein du laboratoire. Les substrats de croissance sont des GDL commerciales sans microporeux et sans traitement hydrophobe. Les paramètres de croissance des tapis de nanotubes ont été étudiés afin d'obtenir des tapis plus longs sur les fibres et ainsi étudier le rôle de la longueur des tapis sur les performances des piles. Il a été démontré qu'il est possible d'obtenir des tapis alignés d'une hauteur allant jusqu'à 40µm. Les nanotubes obtenus sont multiparois et possèdent un diamètre médian inférieur à 10nm. Le temps de croissance et la température du réacteur sont les paramètres influençant le plus la longueur des tapis.La différence de structure avec les microporeux commerciaux est notable. En effet, les tapis de nanotubes recouvrent uniquement les fibres de carbone, alors qu'un microporeux commercial forme une couche homogène déposée sur le papier carbone de la GDL. Ensuite, les tapis de nanotubes de carbone possèdent une porosité, qui vient s'ajouter à la porosité large formée par les fibres de la GDL. Les mesures d'angle de contact démontrent que les GDLs avec nanotubes sont hydrophiles contrairement aux GDL commerciales. Cela peut être dû à l'absence de traitement hydrophobe sur les substrats de croissance, mais aussi à la double structure poreuse de la nouvelle GDL.Les études des performances électrochimiques se font en cellule différentielle à petite surface (1.8cm²), en conditions sèches et en conditions humide pour étudier le rôle de la GDL dans la gestion de l’eau de la pile. Des tests électrochimiques démontrent que le rôle de la GDL anode a son importance dans l’amélioration des performances électrochimiques de la pile, et qu’une asymétrie dans les matériaux des GDL anode/cathode peut être avantageuse. Les GDL avec nanotubes ont donc été testée principalement à la cathode afin de pouvoir se comparer aux études existantes. Il a été montré que les GDL avec nanotubes forment un microporeux adéquat. En effet, les configurations comprenant des nanotubes à la cathode donnent de meilleures performances électrochimiques que les GDL sans microporeux, et des performances au moins égales aux GDL commerciales. Les tapis longs (>20µm) donnent de meilleurs résultats que les tapis courts. Néanmoins, ces nouvelles GDL restent sensibles au noyage. Plusieurs traitements hydrophobes ont été testé pour solutionner ce problème, mais aucun n’a montré une efficacité significative pour être validé. Il semblerait en effet que la structure du microporeux ait plus d’impact sur les performances globales de la pile, que l’hydrophobicité du matériau. Un test de vieillissement en pile montre que la nouvelle structure est viable.
Databáze: OpenAIRE
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