Première: visualiser la glace dans les piles à combustible

Les piles à combustible à hydrogène ont le potentiel de rendre la mobilité individuelle de l’avenir plus écologique. Dans ces piles, l’hydrogène qui sert de «combustible» réagit électrochimiquement avec l’oxygène, ce qui produit du courant électrique. Seuls sous-produits : de la chaleur et de l’eau. Mais dans la pratique, l’eau peut précisément représenter un problème pour la propulsion à pile à combustible. Dans les zones climatiques froides, elle peut en effet geler lorsque la propulsion est coupée, et entraver le fonctionnement des piles. De nouveaux travaux, menés par des chercheurs du PSI, permettent pour la première fois de visualiser directement la répartition de la glace et de l’eau dans une pile à combustible. Ce qui ouvre une nouvelle possibilité pour mieux analyser le problème de la formation de glace et optimiser sa solution.

Le problème de la formation de glace

La glace est susceptible de former des dépôts dans les structures poreuses d’une pile à combustible. Elle perturbe le fonctionnement de la pile en bouchant les pores au travers desquels l’oxygène est acheminé vers la cathode (électrode positive). Or si l’oxygène n’atteint pas la cathode, les réactions chimiques, par le biais desquelles la pile génère du courant, ne peuvent plus se produire. En conséquence de quoi, la tension de la pile s’effondre, et cette dernière ne produit plus de courant. La structure poreuse de l’électrode sert aussi à permettre à l’eau de s’écouler hors de la pile à combustible. L’eau liquide qui reste après utilisation peut geler pendant la nuit, par exemple. Or, comme le volume de la glace est plus important que celui de l’eau, la formation de glace est susceptible d’infliger des dégâts mécaniques aux composants de la pile.

Deux poids deux mesures

L’imagerie neutronique de l’eau exploite le fait que les atomes d’hydrogène diffusent (dévient) fortement les neutrons. L’intensité d’un faisceau de neutrons s’atténue donc considérablement lorsque ce dernier traverse un milieu riche en hydrogène. Dans le cas de la nouvelle technique, baptisée « dual spectrum neutron radiography », l’ampleur de cette atténuation dépend de l’énergie cinétique des molécules d’eau. Lorsque l’eau est gelée, et donc à l’état solide, cette énergie cinétique est beaucoup moins importante que lorsque l’eau est à l’état liquide. C’est cela qui permet de distinguer l’eau liquide de la glace. Si l’on voulait distinguer eau et glace dans le cadre d’une expérience avec des neutrons conventionnelle, il faudrait connaître à l’avance l’épaisseur de la couche d’eau étudiée. Or, en règle générale, c’est impossible dans les piles à combustible ; les chercheurs ont cependant trouvé une issue, en utilisant deux faisceaux de neutrons pour mesurer leurs échantillons.

Avec cette nouvelle technique d’imagerie, on compare successivement l’atténuation que les molécules d’eau font subir à deux faisceaux de neutrons, dotés chacun d’une énergie différente. L’un de ces faisceaux a été filtré et ne contient plus que des neutrons à basse énergie. Le second, en revanche, a été laissé dans son état d’origine, avec l’ensemble de son spectre énergétique. Le rapport d’atténuation des deux faisceaux permet de déduire les parts d’eau liquide et de glace contenues par la pile, sans qu’il soit nécessaire de connaître à l’avance l’épaisseur de la couche d’eau. Le rapport entre les atténuations dépend effectivement uniquement de l’ampleur de la diffusion des neutrons dans l’eau liquide et la glace. La comparaison des mesures du faisceau neutronique filtré et du faisceau neutronique non filtré permet donc de déterminer chaque fois l’état d’agrégation de l’eau.

Preuve de la présence d’eau en surfusion

Les mesures, effectuées à la ligne de mesure ICON de la source de neutrons SINQ du PSI, n’ont pas seulement permis aux chercheurs de cartographier la répartition de l’eau et de la glace dans une pile à combustible. Grâce à elles, ils ont aussi réussi à apporter la preuve directe de l’exactitude d’une présomption ancienne concernant le comportement de l’eau dans les piles à combustible. On suppose en effet depuis longtemps que, dans les piles à combustible, l’eau peut être présente en état de surfusion. La surfusion signifie que l’eau ne gèle pas, même en dessous de 0°C. La visualisation directe a permis aux auteurs de la nouvelle étude de montrer que de l’eau liquide subsistait dans la pile, à des températures pouvant aller jusqu’à moins 7,5°C. « La preuve de la présence d’eau en surfusion dans les piles à combustible ne revêt pas seulement une importance théorique, explique Thomas Justus Schmidt, directeur du Laboratoire d’électrochimie et co-auteur de l’étude. Pour l’application pratique, aussi, il est utile que nous sachions qu’en termes de température, il existe une marge, dans les limites de laquelle il n’est pas nécessaire de se préoccuper de la formation de glace. »

Texte: Institut Paul Scherrer/Leonid Leiva

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