Caractérisation des transferts de masse au sein des membranes polymères d’électrolyseurs microfluidiques par spectroscopie infrarouge.

Les électrolyseurs à membrane polymère (PEM en anglais) constituent un système intéressant de stockage d’énergie renouvelable grâce à la production d’hydrogène de haute pureté à partir de l’électrolyse de l’eau. La PEM en particulier est un composant clé qui agit comme un électrolyte solide entre les électrodes et sépare les réactifs. Malgré ces avantages, ses mécanismes internes de transport d’ions ne sont pas entièrement compris. Ici, le premier électrolyseur PEM microfluidique transparent dans le spectre infrarouge (IR) est développé comme plateforme pour caractériser l’hydratation du PEM pendant son fonctionnement via une technique d’imagerie spectroscopique [1,2]. Dans ces travaux, une nouvelle puce microfluidique d’électrolyse de l’eau intégrant une membrane a été développée pour être caractérisée par spectroscopie infrarouge (IR). L’électrolyseur microfluidique a ensuite été caractérisé par une combinaison de techniques électrochimiques (EIS et DRT) et d’imagerie pour distinguer les contributions des pertes ohmiques, cinétiques et de transport de masse pendant son fonctionnement. Puis, la teneur en eau de la membrane est directement sondée in situ en mesurant l’intensité de la lumière transmise au travers celle-ci à des longueurs d’onde d’environ 4 μm. Dans cette communication, la métrologie de mesure d’imagerie IR, la fabrication d’un électrolyseur transparent dans cette gamme de longueur d’onde ainsi que l’analyse du transfert de masse seront présentées. Les analyses EIS et DRT ont révélé que des concentrations plus élevées en ions H+ dans l’anolyte s’accompagnaient de pertes ohmiques réduites mais de pertes cinétiques et de transport de masse plus élevées. Ces effets du transfert de masse dans la membrane seront présentés plus en détail par le biais de la mesure de l’hydratation de la PEM dans trois régions caractéristiques où les canaux adjacents étaient soit humides, soit secs, soit un mélange des deux. On montrera que l’humidité locale des canaux affectait fortement l’hydratation de la PEM par l’apparition de gradients d’humidité entre les canaux de la cathode et de l’anode. [1] K. Krause, M. Garcia, D. Michau, G. Clisson, B. Billinghurst, J. Battaglia, S. Chevalier, Probing membrane hydration in microfluidic polymer electrolyte membrane electrolyzers via operando synchrotron Fourier-transform infrared spectroscopy, Lab Chip. 23 (2023) 4002–4009. [2] S. Chevalier, J.-N. Tourvieille, A. Sommier, J.-C. Batsale, B. Beccard, C. Pradère, Thermal Camera-Based Fourier Transform Infrared Thermospectroscopic Imager, Appl. Spectrosc. 75 (2021) 462–474.

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