Contribution à l'optimisation des AMEs et au développement des métrologies spécifiques pour les piles à combustible PEMFC et SAMFC

par Valentina Alina Ilie

Thèse de doctorat en Thermique, énergétique

Sous la direction de Sergueï Martemianov et de Christophe Coutanceau.

Soutenue en 2010

à Poitiers , en partenariat avec École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers) (autre partenaire) .

mots clés

• Piles à combustible à membrane échangeuse de protons
• Piles à combustible à membranes anioniques
• Thermométrie -- Instruments
• Transition vitreuse
• Glycérine

Résumé

Cette thèse vise l'optimisation du processus de fabrication des AMEs par le pressage à chaud pour les PEMFC, l'optimisation des piles de type SAMFC et le développement de la métrologie spécifique pour la gestion de l'eau et de la chaleur dans le cœur des piles. Ces recherches ont été réalisées dans le cadre du projet « CHAMEAU » du programme PAN-H de l'ANR et du projet AMELI-0Pt du programme « Energies » du CNRS. Le premier objectif concerne la recherche des paramètres optimaux (température, pression, temps de pressage) de fabrication des AMEs par le pressage à chaud. Les résultats obtenus à travers la planification expérimentale annoncent la température comme le facteur le plus influent sur les performances électriques de la pile. Ces dernières augmentent avec la température sur la plage 100°C-115°C et diminuent brutalement après cette valeur critique. Deuxièmement, on s'intéresse sur le développement des piles SAMFC à combustible glycérol. Des travaux sur l'optimisation des conditions opératoires ont permis d'identifier les paramètres importants pour l'amélioration de performances des piles SAMFC et de mettre en place un protocole de test en pile. Des catalyseurs sans/ou avec peu de platine ont dévoilé une augmentation visible des performances électriques par rapport aux catalyseurs Pt/C. Des membranes plasma ont permis de tripler les performances électriques des piles SAMFCs. Troisièmement, on cible le développement d'une métrologie spécifique pour la mesure de la température à l'interface entre la membrane et la couche active. Des capteurs thermo-résistifs intégrés dans l’AME ont montré la possibilité et l'utilité de suivre en temps réel la température de la couche active

Titre traduit

Contribution to the optimization of MEAs and to the development of specific metrologies for PEMFC and SAMSC fuel cells

Résumé

This thesis point to the optimization of the PEMFC MEAs made by hot pressing, the optimization of SAMFC working parameters and performances, and the development of specific metrologies for the water and heat management inside the AMEs core. This research is part of the “CHAMEAU” project and ANR PAN-H program and of the “AMELI-0Pt” project of CNRS “Energy” program. First objective concerns the search for the optimal parameters (temperature, pressure, and pressing time) of the MEAs manufacturing by hot pressing. The results obtained through designed experimental make known temperature as the most influential factor on the fuel cell electrical performances. The electrical power density increases with the temperature range 100°C-115°C and decreases sharply after. This critical value is seemed to be associated to the Nafion® glass temperature. Secondly, we focus on the development of the glycerol SAMFC fuel cells. Studies concerning the optimization of the operating conditions have identified the important parameters for improving the SAMFC performances and help to realize a test protocol. Catalysts less/free platinium have revealed a visible increase in electrical performance compared to the pure Pt/C catalysts and plasma membranes shown the possibility to triple the SAMFCs electrical performance. The third target, is the development of specific metrologies for the temperature measurements at the interface between the membrane and the active layer. MEA embedded thermo-resitive sensors have shown the feasibility and the utility of the real-time monitoring temperature of the active layer