Cellule segmentée linéaire

La cellule utilisée dans ce travail est la4eme génération de cellule développée au labora-toire. Chacune de ces plaques d’alimentation est réalisée en laiton. Afin de les protéger de la corrosion, le laiton subit un dépôt de cuivre (1µm) puis une étape de nickelage chimique (dépôt d’environ 30µm), et enfin une étape de dorure (dépôt de 3.5µm). Les plaques dis-tributrices sont collées à des plaques de thermalisation en dural, dans lesquelles passe le circuit d’eau de refroidissement/chauffage.

2.3. Cellule segmentée et caractérisations locales

Compartiment anodique

La plaque distributrice anodique n’est pas segmentée. Elle est constituée de 5 canaux droits de 1 mm de large disposés en parallèles. Un canal indépendant et segmenté, consti-tué du même matériau mais isolé de la plaque adjacente, permet d’alimenter 20 électrodes de référence à hydrogène.

Compartiment cathodique

La plaque bipolaire cathodique est segmentée en 20 segments de 1.5cm2 chacun. Chaque segment est isolé électriquement de ses voisins par une feuille d’e-PTFE. Chaque segment est connecté à un collecteur de courant relié à une résistance de shunt de 5mΩ. La mesure du courant se fait par amplification des la mesure de tension aux bornes de la résistance de shunt.

Assemblages membrane-électrode, joints et GDL

Plusieurs matériaux ont été testés lors de ce travail. Dans tous les cas, les couches actives ont une largeur de 1 cm et une longueur de 30cm. Le matériau de référence est un assemblage membrane-électrode commercial, dont le chargement en platine avoisine les 0.4 mg/cm² à la cathode et 0.1 mg/cm² à l’anode. Ces AME ont été élaborés avec un procédé CCM (Catalyst Coated Membrane)qui consiste à déposer la couche active directement sur la membrane. Des GDL Sigracet™ 24BC de 235 µm sont utilisées, elles sont découpées au format souhaité, soit12×300mm2. Lors du montage de la cellule, les GDL sont compressées jusqu’à atteindre l’épaisseur des joints en PTFE (210 µm). Des AME fabriqués par le CEA ont également été testés. Ils ont été élaborés avec un procédé CCB (Catalyst Coated Backing), pour lequel c’est la GDL qui sert de substrat lors du dépôt de la couche catalytique.

Mesure des potentiels locaux

Lors des démarrages-arrêts, comme lors des épisodes de fuel starvation, les poten-tiels cathodiques et anodiques sont susceptibles d’augmenter fortement. Dans le cadre de l’étude des dégradations, il est intéressant d’avoir accès à une mesure de ces potentiels, car c’est la force motrice de l’oxydation du carbone ou du platine. Les électrodes de référence sont des pastilles de GDE (gas diffusion electrode) de 7mm de diamètre, contenant un catalyseur Pt/C. Elles sont placées contre la membrane, le long du canal anodique à une distance d’environ 1 cm de la couche active anodique. Un canal indépendant les alimente en hydrogène humidifié et à pression atmosphérique. La figure 2.11 schématise la mesure des potentiels pour un segment k. Les lignes isopotentielles y sont représentées dans le cas où la membrane est traversée par un courant. La perméation d’hydrogène et d’oxygène n’est pas prise en compte.

Pour chaque segment k, le potentiel à l’anode s’écrit comme vu au chapitre I (équa-tion1.28) :

Cathode segmented bipolar plate (gold plated brass)

Anode bipolar plate (gold plated brass)

20 segments

Water thermalisation circuit

Pt100 probe ^MEA

Gaskets (PTFE) 20 reference

electrodes (RHE)

Figure 2.10 – Plaques distributrices et AME de la cellule segmentée 1D.

Le potentiel de l’électrode réversible à hydrogène s’écrit de la même façon, et vaut 0V par convention :

E^RHE(k) = φ^RHE_m (k)−φ^RHE_s (k) = 0V (2.15)

Ce que l’on mesure d’après le schéma de la figure 2.11 est la différence de potentiel entre la phase métallique de notre RHE et celle de notre anode :

E_mes^a (k) =φ^a_m(k)−φ^RHE_m (k) (2.16) qui d’après 2.15 vaut également :

E_mes^a (k) =φ^a_m(k)−φ^RHE_s (k) (2.17) Toujours d’après le schéma de la figure 2.11, le potentiel de l’électrolyte φ^RHE_s (k)

au niveau de l’électrode de réference vaut φs(L/2), avec L l’épaisseur de la membrane, finalement le potentiel mesuré Ea

mes prend en compte la moitié de la chute ohmique : E_mes^a =φ^a_m(k)−φ^a_s(k, L/2) =E^a(k) + ¹

2^Rmi (2.18) Pour mesurer le potentiel local à la cathode, on ajoute la tension de cellule à Ea

mes, par la suite pour simplifier les notations, on supprime l’argument k :

E_mes^c =E_mes^a +Ucell (2.19) E_mes^c =E^a+ ¹

2^Rmi+φ

c

2.3. Cellule segmentée et caractérisations locales Anode Cathode RHE Ucell Ea(k) Ec(k) ≈R_mi/2 ϕs(x) E_c = ϕm,c -ϕs(L) Ea = ϕm,a -ϕs(0) Ea ^{Ucell E}c ϕs(x)=1/2iRm 

Figure 2.11 – Représentation schématique de la mesure des potentiels locaux. Expéri-mentalement, on mesure la tension de cellule (identique en tout point), et le potentiel localEa(k) de chaque segment. Le potentiel à la cathode en est déduit des deux autres : Ec(k) =Ucell+Ea(k). En présence d’un courant, le potentiel mesuré Ea inclut la moitié de la chute ohmique.

En ajoutant et en retirant des mêmes quantités il vient : Ec mes=Ea+ ¹ 2^Rmi+φ c m−φc s+φc s−φa s+φa s −φa m (2.21) Et finalement : E_mes^c =E^c− ¹₂Rmi (2.22) Pour conclure, on surestime la valeur des potentiels locaux à l’anode deRmi/2, et on sous-estime d’autant la valeur des potentiels locaux à la cathode.

Mesures des courants locaux

La mesure des courants locaux se fait en mesurant la tension aux bornes des résistances de shunt après amplification par un montage amplificateur. Une des caractéristiques es-sentielles de ces cellules segmentées est que la GDL n’est pas segmentée, ni la couche active. Il a toutefois été vérifié que cela influe peu sur la mesure : la résistance électrique de la GDL entre deux segments est de l’ordre de 200mΩalors que la somme des résistances séparant deux segments en passant par les résistances de shunt vaut environ 15mΩ (voir Annexe 5.5) .