Modélisation des performances et du vieillissement des piles à combustible PEM basses températures en vue d'applications aéronautiques

par Alexandra Pessot

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Christophe Turpin et de Amine Jaafar.

Soutenue le 13-03-2020

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Marian Chatenet.

Le jury était composé de Christophe Turpin, Amine Jaafar, Marian Chatenet, Daniel Hissel, Sophie Didierjean, Mathias Gerard.

Les rapporteurs étaient Daniel Hissel, Sophie Didierjean.

mots clés

• Pile à combustible
• PEM
• Plan d'Expériences
• Performances
• Vieillissement
• Modélisation
• Principe de superposition
• Piles à combustible -- Thèses et écrits académiques
• Matériaux -- Détérioration

Résumé

Dans le contexte actuel du développement de « l’avion plus électrique », la pile à combustible PEM suscite de plus en plus d’intérêt de la part des avionneurs et des équipementiers de l’aéronautique. L’intégration de piles à combustible au sein des avions pourrait être une réponse pertinente face aux objectifs de réduction de la consommation de carburant, de diminution de l’impact environnemental et de réduction du bruit émis. A l’heure actuelle, il subsiste cependant de nombreuses questions sur l’impact d’un environnement aéronautique sur les performances et la durabilité des piles à combustible PEM. Les travaux de thèse présentés portent sur ces problématiques et s’ordonnent suivant deux axes principaux. Dans un premier axe, on s’intéresse à l’influence des conditions opératoires sur les performances et le comportement d’un stack PEM spécifiquement pour des applications aéronautiques. Le composant est étudié et testé à l’aide de la méthodologie des Plans d’Expériences dans des conditions opératoires classiques et dans des conditions opératoires propres à une application aéronautique, avec un intérêt particulier porté au fonctionnement en basse pression. La base de données expérimentales générée est ensuite utilisée pour paramétrer et ajuster un modèle des performances en fonction des conditions opératoires. Les résultats obtenus montrent que le modèle permet bien d’obtenir une estimation satisfaisante des performances dans le domaine opératoire étudié et soulignent le potentiel du modèle mis en place. Néanmoins, le modèle défini à ce jour n’est pas toujours apte à reproduire le comportement particulier du stack dans des conditions opératoires plus « exotiques ». Le second axe de travail porte sur la construction d’une méthodologie d’estimation du vieillissement d’une pile à combustible PEM soumise à un profil de mission. Le profil de mission étudié dans ces travaux est défini par SAFRAN AEROTECHNICS pour une application aéronautique. Les essais sont réalisés sur des stacks PEM conçus par cet industriel. L’approche retenue est basée sur le principe de superposition qui stipule que la dégradation due à une somme de sollicitations serait égale à la somme des dégradations de chacune des sollicitations considérées indépendamment. Le profil de mission est ainsi séparé en différentes sous-missions. Chaque profil (profil de mission et sous-missions) est testé dans une campagne de vieillissement dédiée, et la dégradation attribuée à chacune de ces sollicitations est alors évaluée (la dégradation s’entend ici en termes de chute de la tension cellule moyenne). Les résultats des différentes campagnes sont utilisés afin de mettre en œuvre le principe de superposition. Dans les travaux présentés, différentes méthodes d’application du principe de superposition sont proposées et discutées. Les différents résultats d’application montrent que l’approche proposée semble prometteuse pour estimer la dégradation de la tension cellule moyenne due au profil de mission et indiquent que les hypothèses adoptées paraissent cohérentes. Des questions demeurent cependant quant au fait que l’approche soit applicable à d’autres profils de mission.

mots clés

• PEM
• Design of Experiments
• Performances
• Aging
• Modelling
• Superposition principle
• Fuel Cell

Titre traduit

Performances and aging modelling for low temperature PEM Fuel Cells for an aeronautical application

Résumé

Nowadays, fuel cells, and especially PEM fuel cells, are regarded as a promising solution for transportation application, especially for the aeronautical sector in the context of the development of a “More Electrical Aircraft”. However, there are still many questions about the fuel cell performances and the fuel cell aging in aeronautical conditions. The presented thesis works deals with these problematics and are divided in two parts. The first part is dedicated to the study of the influence of operating conditions linked to an aeronautical application on the performances and on the behaviour of PEM fuel cell stacks. This work is carried out using the Design of Experiments method. A model giving the performances as a function of operating conditions is proposed and tested, especially for low pressure functioning. The second part of these thesis works is devoted to the development of a methodology to estimate aging for a fuel cell submitted to a given mission profile. This methodology is based on the superposition principle, considering that the degradation due to a sum of different solicitations is equal to the sum of the degradations due to each solicitation taken individually. Several aging campaigns are performed and the obtained experimental database is used to investigate our approach in order to see if the proposed methodology is able to predict the real degradation during the mission profile testing. Results shows that the approach gives a quite good estimation of aging due to mission profile, showing that the developed approach is promising.