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Étude du vieillissement et modélisation des piles à combustible PEM Hautes Températures (PEM-HT)

par Laurence Laffont - publié le , mis à jour le

La soutenance de thèse de Sylvain RIGAL intitulée "Étude du vieillissement et modélisation des piles à combustible PEM Hautes Températures (PEM-HT)" aura lieu le jeudi 10 décembre 2020 à 10h en visioconférence.

Les travaux de thèse ont été menés dans le cadre du projet FUCHYA piloté par l’IRT Saint-Exupéry avec le LAPLACE, Safran et Airbus.

Lien Zoom pour assister à la visioconférence :
Participer à la réunion Zoom
https://inp-toulouse-fr.zoom.us/j/95728612589?pwd=alNrbTdZWVpMamZ6MEp2Z0tlVmxwQT09

ID de réunion : 957 2861 2589
Code secret : 640765

Composition du jury :
M. Yann BULTEL - Grenoble INP/LEPMI - Rapporteur
M. Samir JEMEI - Université de Franche-Comté/FEMTO-ST - Rapporteur
M. Jacques ROZIÈRE Université Montpellier-II /ICGM - Examinateur
Mme Melika HINAJE - Université de Lorraine/GREEN - Examinatrice
M. Christophe TURPIN - Toulouse INP - Directeur de thèse
M. Amine JAAFAR - Toulouse INP - Co-directeur de thèse
Mme Marion SCOHY - Safran - Invitée
M. Théophile HORDÉ - Airbus - Invité
M. Fabio COCCETTI - IRT Saint-Exupery - Invité

Résumé :
Dans un contexte où les impacts anthropiques n’ont jamais été aussi pesants pour la planète, les énergies dites « renouvelables » pourraient permettre de réduire l’impact écologique lié aux besoins énergétiques de l’humanité. C’est pourquoi l’hydrogène nourrit actuellement beaucoup d’espoir comme vecteur énergétique permettant le stockage de l’énergie électrique produite par des sources « renouvelables » intermittentes. La Pile à Combustible (FC) apparait alors comme un élément-clé de cette économie hydrogène.
Parmi les différentes technologies de FC, la FC dite à Membrane Échangeuse de Proton (PEMFC) semble nourrir le plus d’effort de recherche. Elle se décline principalement en deux sous technologies : Basse Température (LT-PEMFC), fonctionnant aux alentours de 80°C et Haute Température (HT-PEMFC), aux alentours de 160°C. C’est la LT-PEMFC qui a récemment pénétré le marché de l’automobile. Les connaissances à propos de la technologie HT-PEMFC, plus récente, sont encore bien loin de celles concernant la LT-PEMFC.
Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été réalisés au Laboratoire LAPLACE. Cette thèse représente les premiers travaux du LAPLACE concernant la HT-PEMFC.
Ce manuscrit présente une recherche bibliographique ayant pour objectif majeur de se familiariser avec la technologie HT-PEMFC, d’explorer sa modélisation pratiquée dans la littérature et de consulter les essais de vieillissement publiés afin de se créer une base de données des dégradations attendues avec cette technologie.
Ensuite, une cartographie des performances d’une HT-PEMFC dans différentes conditions opératoires est dressée grâce à la réalisation d’une étude de sensibilité. Lors de cette étude, trois modèles d’Assemblage Membrane Électrodes (AME) HT-PEMFC ont été caractérisés (via des courbes de polarisation, voltamétries cycliques et spectroscopies d’impédance électrochimique) dans différentes conditions opératoires : sur-stœchiométrie de gaz et température de fonctionnement. Il en résulte que la technologie HT-PEMFC semble impactée au premier ordre par la température devant la sur-stœchiométrie (dans les plages de variations testées). De plus, cette technologie semble davantage propice à l’utilisation de faibles sur-stœchiométries d’air et d’hydrogène que la technologie LT-PEMFC.
Les courbes de polarisations issues de cette étude de sensibilité sont également modélisées via un modèle initialement développé au LAPLACE pour modéliser des LT-PEMFC. Pour ce faire, une méthode d’identification multicourbe de polarisation et multicondition opératoire a été développée. Cette méthode semble permettre de mieux décorréler certains paramètres du modèle en forçant d’autres paramètres à être communs à plusieurs conditions opératoires. Le modèle est également amélioré afin de prendre en compte l’impact de la sur-stœchiométrie d’air sur la tension de cellule. L’impact de la réduction de l’étude de sensibilité est également investigué ainsi que l’impact de la dégradation des AME durant l’étude.
Le dernier aspect de la HT-PEMFC étudié dans ce manuscrit est le comportement de cette technologie lors d’essais de vieillissement à courant constant en monocellule et en empilement multicellules. Pour cela, sept AME ont été testés à des courants différents durant plus de 500 h (pour la plupart). Un des essais, à une densité de courant trois fois supérieure à celle généralement utilisée dans la littérature comme densité de courant nominale, a conduit au taux de dégradation le plus faible. Il est également illustré durant ces travaux que la méthode de calcul du taux de dégradation peut amener à des résultats contradictoires. De plus, les périodes de caractérisations semblent avoir un fort impact sur la dégradation, probablement à cause des hauts potentiels explorés qui engendreraient une corrosion du support en carbone de la couche active cathodique. Pour finir, le test d’un empilement multicellules a montré des taux de dégradation deux fois plus élevés qu’en monocellule.

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