Analyse comportementale de composants de pile à combustible de type PEM et recherche d'un lien causal entre les performances observées de manière in-situ et ex-situ.

par El mahdi Khetabi

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Denis Candusso et de Yann Meyer.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec SATIE - Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (laboratoire) , TEMA - Technologies pour l'Electro-Mobilité Avancée (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Les potentialités énergétiques et environnementales de la technologie des piles à combustible (PAC) ont déjà permis l'apparition d'applications stationnaires et mobiles sur différents marchés de niche. Le déploiement plus large de cette technologie demeure encore conditionné à la fois par l'optimisation de son efficacité énergétique globale et par la prise en compte de l'analyse individuelle des performances de ses composants constitutifs. Pour les applications embarquées, la technologie la plus aboutie et la plus prometteuse est celle des PAC à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Les défis techniques à relever reposent essentiellement sur l'optimisation des briques technologiques actuelles permettant l'obtention de produits industrialisables à grande échelle. Actuellement, une partie importante des instituts de recherche et des industriels du secteur se concentre sur l'augmentation des performances des différents constituants en termes de rendement, de compacité et de masse tout en visant des durées de vie, des niveaux de fiabilité et des coûts acceptables. Dans la littérature, les critères d'optimisation des éléments constitutifs des PAC sont le plus souvent basés sur les performances électrochimiques de ces composants. Des recherches récentes ont cependant démontré l'importance des propriétés mécaniques de ces composants sur les performances finales des générateurs. La résistance à la compression des éléments des PAC, la stabilité de leurs propriétés mécaniques en fonction de la température et de l'humidité ainsi que leur capacité à interagir avec l'eau ont un impact direct sur les résistances électriques de contact existant entre les différents éléments de l'empilement du cœur de pile et par conséquent, sur les performances globales du générateur. La réduction des pertes par résistances de contact (présentes notamment aux interfaces couches de diffusion - plaques d'alimentation en réactifs) est un objectif nécessaire à l'optimisation du fonctionnement global des piles. Dans cette thèse, nous souhaitons travailler sur le lien à établir entre les performances électriques globales en conditions d'usage d'une PAC de type PEM (sur un banc d'essai dédié permettant des mesures in-situ) et les caractéristiques physico-mécaniques des composants et matériaux constituant la pile, déterminées de manière ex-situ. Dans la construction de ce lien à établir, l'un des enjeux réside dans l'estimation des résistances de contact entre les différents éléments de l'empilement et dans la compréhension du rôle différent qu'elles peuvent jouer en fonction des conditions d'usage liées à l'application. L'un des points durs consiste dans le découplage nécessaire à réaliser entre l'impact spécifique des résistances de contact et les autres types de pertes (pertes ohmiques dans l'électrolyte, pertes par diffusion des réactifs…). Des protocoles mêlant étroitement caractérisations mécaniques, électriques / électrochimiques, analyses matériaux et modélisations devront être imaginés dans cette optique. Les effets de la compression mécanique exercée par les tirants sur la PAC seront plus particulièrement étudiés. Ces efforts mécaniques contribuent en effet à induire des répartitions potentiellement non-homogènes des courants, des températures et des résistances de contact sur les surfaces des cellules. Dans le cadre de cette thèse, un nouvel équipement expérimental sera d'ailleurs mis à profit pour analyser l'incidence de la compression mécanique exercée sur un empilement (monocellule) en fonctionnement, pour établir ensuite une relation physique entre les niveaux de compression et les performances électriques, observées dans différentes conditions opératoires (effets du courant de charge global, des paramètres physiques liés aux conditionnements des réactifs). La compression sera exercée ici par un piston et elle sera pilotable via une électronique et un logiciel dédiés. Les performances de la PAC seront évaluées d'un point de vue électrique (mesures de la tension de cellule, des densités de courant et des températures locales). Le dispositif original a été spécialement fabriqué par la société Baltic FuelCells et acquis dans le cadre du projet ELICOP financé par la Région Franche-Comté. La thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une approche physique de la détermination des performances des PAC, de l'estimation de leur durée de vie et de leur fiabilité. Les travaux menés aboutiront à une compréhension plus fine des phénomènes physico-mécaniques présents dans la PEMFC. La synthèse des résultats obtenus permettra de développer des critères de choix de constituants de PAC en fonction du domaine applicatif visé.

  • Titre traduit

    Behavioral analysis of PEM fuel cell components and research of causal relationships between in-situ and ex-situ observed performances.


  • Résumé

    The energetic and environmental benefits of the Fuel Cell (FC) technology have already allowed the emergence of stationary and mobile applications on various early markets. The widespread marketing of this technology depends notably on the optimization of its global energetic behavior and on the specific analysis of its individual component performances. For embedded applications, the most mature and promising technology is the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The technical challenges to be met are mainly related with the optimization of the technological building blocks to allow large-scale productions. So far, the research institutes and the industrials of the sector have mostly focused on the increase of performances of the different cell components in terms of efficiency, compactness and mass while keeping acceptable lifetime, reliability, and cost targets. In the literature, the criteria used to optimize the FC components are usually based on the electrochemical performances of these components. However, recent researches have shown the importance of the mechanical properties of these components for the achievement of the final FC performances. The compressive strengths (compression modulus) of the elements, the stability of their mechanical properties versus temperature, humidity, as well as their capabilities to interact with water have some direct effects on the electrical contact resistances inside the FC assembly, and thus, on the global performances of the whole generator set. The decrease of the contact resistance losses (especially located at the Gas Diffusion Layers – Flow Field Plates interfaces) is required to optimize the global behavior of the PEMFC technology. In this PhD work, we aim at proposing some relations between the global performances of a PEMFC (single cell or even stack) operated in real use conditions (through a dedicated FC test bench allowing in-situ measurement techniques) and the physical / mechanical characteristics of the cell materials and components, using ex-situ measurements in this case. In this task, one of the scientific challenges is the estimation of the contact resistances between the different cell elements, and the understanding of their different roles according to the operating conditions of a FC system. One of the main issues is the decoupling that has to be done between the specific impact of the contact resistances and the other types of loss sources (ohmic losses in the electrolyte membrane, losses linked with the reactant diffusions…). To reach this aim, it will be necessary to develop some protocols based on a close mixing between mechanical, electrical / electrochemical characterizations, materials analyses, and modelling. Special attention will be paid to the effects of the mechanical compression applied by the tie rods on the FC assembly. Indeed, the mechanical stress contributes to potentially induce some non-uniform distributions of currents, temperatures, and contact resistances on the cell areas. As part of this thesis, a new experimental equipment will also be used to analyze the effect of mechanical compression on a FC (single-cell) in operation and to establish a physical relationship between the compression levels and the electrical performances, observed in different operating conditions (effects of the global load current, of the physical parameters related to the conditioning of the reactants). The compression will be performed by a piston and will be controlled through dedicated electronics and software. The FC performance will be evaluated from an electrical point of view (measurements of cell voltage, of local current densities and temperature). The original device was specially manufactured by the Baltic FuelCells company and acquired through the ELICOP project funded by the Franche-Comté Region. The thesis is part of the development of a physical approach for the determination of the FC performances, for the estimation of their lifetime and reliability. This PhD work will lead to a deeper understanding of the physical- mechanical phenomena involved in the PEMFC. The synthesis of the results will help to the development of criteria for the selection of FC components, depending on the end-user application domain.