Caractérisation de Membranes Echangeuses d'Anions pour Piles à Combustibles Alcalines

Résumé du document

Les premières expériences concernant les piles à combustible ont fait leurs apparitions au début des années 1800. En effet Sir Humphry réalisait l'électrolyse de l'eau distillée obtenant l'hydrogène et l'oxygène. Par la suite en 1838 Christian Friedrich Schoenbein effectua la première expérience qui utilisait le principe de la pile à combustible. Dans un tube en U, il plaça deux électrodes en platine et en appliquant un courant électrique il observa un dégagement d'hydrogène et d'oxygène ce qui correspond a l'électrolyse. Mais le véritable inventeur de la pile à combustible est sir William Robert Grove car en 1839 il réalisa la première pile à combustible qui était composée d'une cellule hydrogène-oxygène avec des électrodes de platine poreuses et de l'acide sulfurique comme électrolyte (Figure 1).

Malgré cette expérience couronnée de succès la technique fut oubliée, excepté quelques petites expériences sur le sujet comme en 1889 où L. Mond et C. Langer utilisent le platine comme catalyseur et en 1921 où E. Baur élabore une cellule fonctionnant à haute température.
En 1953 un prototype de pile réalisé par Francis T.Bacon va relancer le développement de la pile à combustible. En effet il construit une pile hydrogène-oxygène possédant un électrolyte alcalin et des électrodes poreuses de nickel et d'oxydes de nickel. Cette pile pouvait être utilisée en 80 et 200°C à une pression de 40 atmosphères.

Dans les années 60 les piles à combustible furent développées principalement dans trois domaines :

- Les programmes spatiaux où les piles étaient utilisées comme générateurs pour les vols spatiaux habités comme Gemini en 1963 ou Apollo en 1968 (Figure 2). Ces piles sont d'ailleurs toujours utilisées par la NASA

[...] L'électrolyte :
C'est une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin. On peut au choix utiliser de la soude NaOH ou de potasse KOH. On privilégie la potasse pour ce genre de pile avec une concentration de 30 à 45% (8 à 12 moles par litre). Cet électrolyte est soit solide (pile IFC de la navette spatiale), soit liquide. Dans ce dernier cas la circulation permet d'utiliser de la potasse comme fluide de refroidissement et permet aussi l'extraction de l'eau formée. Cependant cette technique peut présenter des risques de fuites (...)

Extraits

[...] Voici un tableau récapitulant ces différentes caractéristiques : Interactions entre un plasma froid et un substrat L'interaction entre un plasma froid et un matériau placé en son sein (substrat) se traduit par plusieurs types d'effets, correspondant à différents types de réactions chimiques entre les espèces du plasma et les atomes constituant le substrat. Souvent plusieurs de ces effets se produisent simultanément ou consécutivement, et c'est la résultante de ces effets qui définit l'effet global. On distingue généralement quatre réactions chimiques principales. [...]

[...] Grove Malgré cette expérience couronnée de succès la technique fut oubliée, excepté quelques petites expériences sur le sujet comme en 1889 où L. Mond et C. Langer utilisent le platine comme catalyseur et en 1921 où E. Baur élabore une cellule fonctionnant à haute température. En 1953 un prototype de pile réalisé par Francis T.Bacon va relancer le développement de la pile à combustible. En effet il construit une pile hydrogène-oxygène possédant un électrolyte alcalin et des électrodes poreuses de nickel et d'oxydes de nickel. [...]

[...] De plus des membranes plus performantes font leur apparition ce qui les rend plus compétitives. Le regain d'intérêt des piles à combustible va voir l'émergence de plusieurs types de piles à combustible avec pour chacune des propriétés bien spécifiques (ce que nous allons voir dans la partie suivante). Figure 2. Pile à combustible hydrox du type de celles qu'utilisa Apollo 13 Différents types de piles : De nos jours, il existe plusieurs types de piles à combustible basées sur différents concepts. [...]

[...] En effet les chocs pétroliers apportent un soutien de poids pour la pile à combustible : le coût. De nombreuses recherches visent à développer les composants de la pile comme la membrane, les électrodes, les électrolytes, les compresseurs etc. En 1970, Du Pont met au point la membrane Nafion, qui sert d'électrolyte aux piles de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Par la suite en 1980 les avancées de la pile restent très faibles voire inexistantes (la pile est chère à mettre en place). [...]

[...] L'application finale de la formule du nombre de transport se fera en fonction des approximations liées à la géométrie de la cellule de mesure que nous allons utiliser. Afin d'évaluer le nombre de transport anionique de la membrane, nous utiliserons une cellule de mesure de type Hittorf représentée ci-dessous : Schéma de la cellule de mesure du nombre de transport La cellule se compose d'un compartiment cathodique de volume Vc = 200mL, et d'un compartiment anodique de volume Va = 20mL. De plus, les deux compartiments sont remplis d'une solution de soude de concentration égale (1M). [...]