Les piles à combustible ont été conçues pour la première fois en 1838 par le scientifique suisse Christian Schönbein ; la première pile à combustible a été mise au point par le scientifique gallois Sir Willian Grove en 1843. Les premières applications pratiques des piles à combustible sont apparues dans les années 1960 dans le cadre du programme spatial américain. L'énergie et l'eau pouvaient être produites à partir de deux combustibles largement disponibles : l'hydrogène et l'eau. Les préoccupations environnementales et la recherche sur l'énergie ont ravivé l'intérêt pour la production et le stockage d'hydrogène en tant que technologies nécessaires à la production d'énergie propre et portable.

La quantification de la capacité de stockage d'hydrogène des nouveaux matériaux est une technologie clé pour prédire les performances d'une pile à combustible ou d'un dispositif de stockage d'hydrogène. L'ASAP 2020 de Micromeritics est un analyseur d'adsorption de gaz flexible capable de mesurer la capacité d'adsorption d'hydrogène des poudres et des matériaux poreux. Le logiciel ASAP 2020 a été amélioré pour répondre aux besoins des chercheurs dans le domaine des piles à combustible et du stockage de l'hydrogène. Les améliorations suivantes ont été introduites dans la version 3 du logiciel ASAP 2020 :

• Dosage à pression absolue pour les molécules de sonde non condensantes comme l'hydrogène.
• Nouveaux rapports d'isothermes qui incluent le pourcentage en poids d'hydrogène adsorbé et l'isotherme de composition sous pression qui est fréquemment utilisé par les chercheurs en stockage d'hydrogène.
• Options d'espace libre calculé pour réduire le temps d'analyse, améliorer la précision et minimiser l'exposition à des gaz interférents comme l'hélium.

Une analyse réussie de l'adsorption d'hydrogène nécessite une préparation correcte de l'échantillon, qui se fait en deux étapes. Tout d'abord, les échantillons doivent être dégazés au niveau de l'orifice de préparation afin d'éliminer l'humidité et les gaz parasites tels que le_CO2 qui s'adsorbe fortement sur de nombreux matériaux à la température et à la pression ambiantes. Deuxièmement, l'échantillon doit être dégazé complètement au niveau du port d'échantillonnage.

Le tube d'échantillonnage standard ASAP 2020 (tige de 1/2 pouce) avec une fritte d'étanchéité est recommandé pour ce type d'analyse. Une gaine isotherme est recommandée si l'analyse est effectuée à des températures cryogéniques (azote liquide ou argon liquide). Une tige de remplissage est facultative mais non recommandée si l'analyse est effectuée à des températures cryogéniques ; la tige de remplissage peut interférer avec la précision des mesures à basse pression.

Création du fichier d'exemple

Créer un nouveau fichier d'échantillons ; spécifier les conditions comme suit.

1. Cliquer sur l'onglet Conditions de dégazage; saisir les conditions suivantes :
   a. Phase d'évacuation: Cette phase permet une montée en température et une évacuation simultanées. Le temps d'évacuation commence une fois que le point de consigne du vide a été atteint.
   Vitesse de la rampe de température: 10 °C/min
   Température cible: 90 °C (facilite l'élimination de l'humidité et minimise l'étuvage pour éviter la perte de surface)
   Taux d'évacuation: 5 mmHg/s (minimise la fluidisation du lit d'échantillons)
   b. Phase de chauffage: Cette phase fournit une deuxième rampe de température après la fin de la phase d'évacuation.
   Vitesse de la rampe: 10 °C/min
   Température de maintien: 300 °C 300 °C
   Durée du maintien: 300 min
   c. Phases d'évacuation et de chauffage: Ces phases ont un point de consigne de pression maximale. Pendant l'une ou l'autre de ces phases, la pression du tube d'échantillonnage doit rester inférieure au point de consigne de la pression de maintien. Si la pression de consigne est dépassée, la rampe de température est interrompue jusqu'à ce que l'échantillon soit évacué à une pression inférieure à la consigne. Ce point de consigne est utilisé pour minimiser la libération rapide d'humidité ou de gaz parasites qui pourraient endommager la structure fine des pores de l'échantillon.
   Pression de maintien: 10 mmHg
   d. Sélectionnez Backfill sample tube.
   Votre boîte de dialogue Degas Conditions devrait ressembler à ceci :

2. Cliquez sur Save, puis sur l'onglet Analysis Conditions. Les conditions d'analyse peuvent être optimisées pour compléter les conditions spécifiées pour le dégazage. Tous les paramètres d'évacuation du protocole d'analyse peuvent être minimisés (mis à zéro). Aucune évacuation supplémentaire n'est requise.
   a. Sélectionnez l'option Absolute pressure dosing.
   b. Entrez une table de pression appropriée ; la pression maximale ne doit pas dépasser 850 mmHg.
   c. Cliquez sur Preparation; la boîte de dialogue Analysis Preparation s'affiche. Sélectionnez l'option Fast evacuation et entrez 0.00 (zéro) minutes pour le temps d'évacuation. L'échantillon sera évacué dans les conditions spécifiées dans la boîte de dialogue Degas Conditions (étape 3).
   d. Cliquez sur Free Space; la boîte de dialogue Free Space s'affiche. Sélectionnez Enter ou Calculate. Reportez-vous à la note d'application 104 de Micromeritics(disponible à l'adressemicromeritics pour déterminer l'espace libre de l'échantillon.
   e. Cliquez sur ^p0 and T; la boîte de dialogue ^p0 and Temperature s'affiche. L'option #4 doit être sélectionnée ; entrez la température du bain dans le champ fourni au bas de la boîte de dialogue.
   f. Cliquez sur Dosing; la boîte de dialogue Dosing Options (Options de dosage) s'affiche. Sélectionnez Low pressure incremental dose mode; entrez 1 ^cm3/g dans le champ Dose amount. Laissez les valeurs par défaut dans les autres champs.
   g. Cliquez sur Equilibration; la boîte de dialogue Equilibration s'affiche. Entrez 45 comme Intervalle d'équilibrage.
   h. Cliquez sur Backfill; la boîte de dialogue Sample Backfill Options s'affiche. Désélectionnez Backfill sample at start of analysis (Remplir l'échantillon au début de l'analyse). Le message #4020 s'affiche ; cliquez sur Yes pour fermer la boîte de dialogue.
3. Cliquez sur Enregistrer, puis sur l'onglet Propriétés d'adsorption. Les propriétés d'adsorption de l'hydrogène sont facilement obtenues en modifiant les propriétés d'adsorption de n'importe quel adsorbat.
   a. Changez le mnémonique en H2. Assurez-vous qu'il correspond aux gaz connectés à l'analyseur.
   b. Sélectionnez Non-condensing Adsorptive.
   c. Entrez 0 (zéro) dans le champ Non-ideality factor. Laissez les valeurs par défaut dans les autres champs.
   d. Entrez 2.97 dans le champ Therm. tran. Diamètre de la sphère dure.
   e. Entrez 0.121 comme surface de section transversale moléculaire.
   Votre boîte de dialogue Adsorptive Properties devrait ressembler à ceci :

4. Cliquez sur Save, puis sur l'onglet Report Options.
   a. Double-cliquez sur le rapport Isotherm pour le sélectionner, puis cliquez sur Edit; la boîte de dialogue Isotherm Report Options s'affiche.
   b. Sélectionnez Tabular report, Linear Absolute plot (exemple de données illustré à la Figure 1), Logarithmic Absolute plot, et Pressure Composition plot (exemple de données illustré à la Figure 2).
   c. Sous Tabular Options, sélectionnez Weight %.
   d. Assurez-vous que 2.00 est la valeur du champ Adsorbate Molecular Weight.
   Laissez les valeurs par défaut dans tous les autres champs ; votre boîte de dialogue Isotherm Report Options devrait ressembler à ceci :

Dégazage de l'échantillon

L'échantillon doit être dégazé d'abord sur un port de dégazage, puis sur le port d'échantillonnage.

1. Installer le tube d'échantillonnage sur un orifice de dégazage.
2. Sélectionnez Unit [n] > Start Degas; la boîte de dialogue Automatic Degas et la boîte de dialogue Degas Status s'affichent.
3. Cliquez sur Parcourir et sélectionnez le fichier d'exemple que vous avez créé.

4. Cliquez sur Start pour lancer l'opération de dégazage ; vous pouvez observer l'état d'avancement de l'opération dans la boîte de dialogue d'état.
5. Une fois ce dégazage initial terminé, retirez le tube d'échantillonnage de l'orifice de dégazage.
6. Installez une gaine isotherme sur le tube à échantillon si vous utilisez un bain cryogénique pour contrôler la température.
7. Installer le tube d'échantillonnage sur l'orifice d'échantillonnage ; faire glisser l'enveloppe isotherme vers le haut jusqu'à ce qu'elle touche l'orifice d'échantillonnage.
8. Installer le manteau chauffant de l'orifice de dégazage 2 sur le tube d'échantillonnage. Le manteau chauffant de dégazage doit se trouver au moins 1 cm en dessous de la gaine isotherme. L'application d'une chaleur directe sur la gaine isotherme peut décolorer et endommager de façon permanente la gaine isotherme.
9. Sélectionnez Unit [n] > Show Instrument Schematic, puis activez le contrôle manuel.
10. Fermer toutes les vannes.
11. Ouvrir les vannes : vanne d'azote (typiquement la vanne P1), PS, 4, 5 et 7.
12. Laisser le collecteur se remplir jusqu'à 780 mmHg d'azote.
13. Fermer les vannes : PS, 4 et 5; la vanne 7 doit rester ouverte.
14. Ouvrir les vannes 9 et 2.
15. Laisser le collecteur et l'échantillon s'évacuer jusqu'à moins de 5 mmHg.
16. Ouvrir la vanne 1.
17. Fermer les vannes 2 et 7.
18. Sélectionnez Unit [n] > Degas > Show Degas Schematic, puis activez le contrôle manuel de Degas.
19. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur l'icône du tube à échantillon du port 2 et sélectionnez Set ; la boîte de dialogue Port 2 Heater Settings (Paramètres du chauffage du port 2) s'affiche. Saisissez 10 comme vitesse de rampe et 300 comme température cible. Cliquez ensuite sur OK pour fermer la boîte de dialogue.

20. Laisser l'échantillon dégazer pendant une nuit à 300 °C ; un minimum de 12 heures est recommandé.

Réalisation de l'analyse

1. Une fois le dégazage terminé, retirer le manteau chauffant et attendre que le tube refroidisse jusqu'à une température proche de la température ambiante. Faire glisser avec précaution l'enveloppe isotherme vers le bas jusqu'à ce qu'elle touche le haut de l'ampoule à échantillon.
2. Préparer un Dewar avec du cryogène (ou utiliser un bain à recirculation).
3. Placer le Dewar sur le porte-échantillon.
4. Sélectionnez Unit [n] > Sample Analysis, choisissez le fichier échantillon que vous avez créé et commencez votre analyse.