Matériel de mesures

I.3.2.1. Interface accueillant la µPEMFC

Nous avons évoqué au I.2.4.1 le processus de fabrication des µPEMFC. Une fois le wafer découpé en mono cellules, on obtient des puces de 2cm², qui seules sont inopérantes. Pour pouvoir les étudier, il convient de les associer à une interface, devant regrouper les caractéristiques suivantes :

- Permettre l'alimentation hermétique en hydrogène de la µPEMFC qu'elle accueillera, via une chambre anodique qui sera située sous celle-ci. Cette chambre devra être percée d'une entrée et d'une sortie, pour permettre l'établissement d'un régime circulant d'H2.

- Permettre la collecte électronique.

- Permettre d'évacuer la chaleur produite par la µPEMFC en fonctionnement, et par la même occasion, permettre d'imposer la température à celle-ci (dispositif de chauffage stable).

Au cours de la thèse, la conception de cette interface a constamment évolué. En 2007, les µPEMFC étaient montée sur de petits "sucres" d'aluminium creusés d'une chambre anodique, et percés sur les deux petites faces latérales pour accueillir de petits tuyaux de PTFE : l'un sera connecté à un électrolyseur produisant de l'H2 humide, l'autre à une petite valve manuelle à pincement, permettant de régler approximativement un régime légèrement circulant. Pour éviter les fuites d'H2, la puce était scellée à sont support par un pourtour de Torr Seal (colle pour ultra vide), de même que les tuyaux de PTFE. Par la suite, et surtout à STMicroelectronics, du Rhodorsil CAF 4 (un caoutchouc siliconé) a remplacé le Torr Seal.

Figure I-31 : Photographie de µPEMFC montées sur "sucre" d'aluminium [Kar09] (technologies différentes)

Les courants électriques étaient alors collectés à la surface de la puce par de petits fils soudés à l'argent chimique à froid sur les pastilles d'or destinées à cet effet. Le nombre de contacts a évolué; de 2 sur les premiers designs de µPEMFC, on est arrivé jusqu'à 6 (3 cathode et 3 anode, ce sera le cas de la très grande majorité des µPEMFC étudiées dans ce document). Dans cette configuration, le "sucre" d'aluminium était plaqué à la pâte thermique sur un radiateur, qui pouvait être chauffé par des résistances contrôlées par un régulateur thermique (premières mesures au LAPLACE), ou immergé dans un bain marie hermétique maîtrisé en température (montage utilisé par Nicolas Karst au CEA Liten pour toutes ses mesures, y compris celles qui seront reprises dans ce manuscrit).

35 Par la suite, afin de palier aux problèmes de fuite pouvant survenir à l'issue d'un trop grand nombre de manipulations, notamment du tuyau d'alimentation, un autre type d'interface a été développé. Il s'agit du bras de mesures, conçu par Frédéric Cantin à STMicroelectronics.

Figure I-32: Bras de mesures

Celui-ci, représenté Figure I-32, est un support volumineux, sur lequel on vient sceller au CAF4 une puce. L'avantage est que cela réduit considérablement le nombre de manipulations potentiellement destructives. La collecte électronique se fait par un bras mobile, agrémenté d'une tête comportant 6 pointes (bouts ronds) rétractiles plaquées or, normalement utilisées dans la caractérisation de composants électroniques à la chaîne. Là encore, l'absence d'opération de soudage (moins d'influence chimique et physique), et la délicatesse mécanique de la collecte électronique, réduit les risques d'altération de la µPEMFC au montage. De plus, la longueur de câbles (intégrés au bras) restera la même d'une µPEMFC montée à l'autre, ce qui implique que le seul paramètre alors susceptible de changer, concernant la collecte de courant, sera la pression des pointes sur les pastilles d'or. Ces pointes étant rétractiles via le jeu d'un ressort interne à grande élasticité, cette pression ne variera pas énormément. Le bras de mesure verrouille donc quelques paramètres expérimentaux importants. Il est aussi équipé de résistances chauffantes, que l'on aperçoit Figure I-32, et qui seront connectées à un système de régulation thermique. Nous pouvons ainsi imposer la température de fonctionnement de la µPEMFC étudiée.

I.3.2.2. Matériel de contrôle et de mesures électriques

Dans le cadre de la caractérisation électrique évoquée au I.3.1.5, il s'agit d'imposer une tension, ou un courant. Pour ce faire, nous utilisons majoritairement le potentio-galvanostat Autolab PGSTAT302N, commercialisé par Ecochemie.

36

Figure I-33: Photographie d'un module Autolab [ECw]

Le courant traversant la µPEMFC excède rarement l'ampère, ce qui permet de s'en tenir au circuit interne de cet appareil (-3A/+3A max). L'Autolab est piloté par un PC portable (USB), via le logiciel propriétaire NOVA. Ce dernier permet la programmation et l'automatisation de séquences de mesures complexes et évoluées. De nombreux échanges avec Ecochemie ont d'ailleurs permis d'affiner les possibilités de NOVA en fonction de nos besoins métrologiques, tout au long de cette thèse.

L'Autolab nous permet donc de procéder à des mesures de polarisation quasistatiques, au tracé de spectres d'impédance électrochimiques, et à des balayages sinusoïdaux forte amplitude (spécialité du laboratoire LAPLACE) : ces mesures seront définies dans la suite. Il peut imposer la tension aussi bien que le courant.

I.3.2.3. Matériel de contrôle climatique

Pour contrôler l'humidité relative (HRa) et la température (Ta) de l'air ambiant, respiré par la

cathode de la µPEMFC, nous plaçons le bras de mesures du I.3.2.1 dans une enceinte climatique Platinous K 120L, fabriquée par Espec, importée en France par MBélectronique. La consigne de climat est directement rentrée sur l'interface LCD de l'enceinte.

Notre Platinous a été percée de passes câbles latéraux, visibles Figure I-34, permettant de faire passer le tuyau d'alimentation en H2, le tuyau sortant correspondant au débit circulant de H2, ainsi que les câbles électriques de l'Autolab, du système de régulation thermique, et du capteur d'H2, installé par nos soins pour sécuriser nos expérimentations. L'étanchéité est assurée par des presse-étoupes consistant en de simples bouchons de silicone.

37

Figure I-34: Photographie de notre enceinte climatique Platinous K 120L

Cependant, la µPEMFC est très sensible aux turbulences de l'air ambiant. Un simple revers de la main à son voisinage se répercutera très nettement sur sa réponse électrique. Cette sensibilité a posé un gros problème lorsqu'il a été question de mettre la µPEMFC et son support dans l'enceinte climatique. En effet, celle-ci, dans le but d'homogénéiser dans son volume interne les conditions atmosphériques qu'elle impose, brasse constamment l'air via un système de ventilation qu'il n'est pas possible de couper. Il est a donc été nécessaire de concevoir une cloche de plexiglas permettant d'isoler la µPEMFC de l'action mécanique du vent (Figure I-35).

Figure I-35: Bras de mesures, isolé du vent par la cloche de plexiglas

Nous reviendrons sur les détails de sa conception au Chapitre II. Cette cloche n'est en revanche pas totalement étanche. L'atmosphère qu'elle contient se stabilise aux mêmes HRa et

38

Ta que l'atmosphère imposée par l'enceinte. Cela prend juste plus de temps, ce qui ne pose pas

de problème dans le cadre de nos mesures (mesures en régime climatique permanent). Ces paramètres atmosphériques "sous cloche" sont monitorés par un capteur hygrométrique Fisherscientific.

I.3.2.4. Alimentation en H

Nous utilisons pour alimenter notre µPEMFC en H2 un électrolyseur PEM 4W de chez Electrochem, visible Figure I-36.

Figure I-36: Electrolyseur Electrochem et son réservoir d'H2 à niveau d'eau [HTw]

L'hydrogène produit passe par un réservoir à niveau d'eau, permettant de faire un petit stock. L'H2 alimentant la µPEMFC est donc naturellement bien hydraté, ce qui est cohérent avec son utilisation finale (l'H2 produit par la cartouche BIC le sera par le biais de la réaction entre du borohydrure de sodium et de l'eau, ce qui lui donnera une humidité relative proche de 50%). Par ailleurs, N. Karst a étudié, dans sa thèse, l'influence de l'hydratation de l'H2. Il a ainsi montré qu'un H2 sec n'améliorait pas les performances de la µPEMFC, et complexifiait énormément sa réponse à différentes conditions et sollicitations électriques, en rendant possible l'assèchement de l'anode. En revanche, quelles que soient les conditions opératoires, il n'a jamais été constaté qu'un H2 hydraté (HRa = 50%) puisse conduire un noyage anodique.

C'est pourquoi nous focaliserons par la suite nos analyses sur la cathode et la membrane, considérant que nous sommes nous aussi affranchis des problèmes hydriques localisés à l'anode.

39