Thèse soutenue

Étude expérimentale d'une cellule d'électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEMWE) : contribution à l'optimisation d'une Pile A Combustible Réversible (PAC-R), pour le stockage d'énergie solaire
FR  |  
EN
Accès à la thèse
Auteur / Autrice : Sébastien Boulevard
Direction : Amangoua KadjoSergueï MartemianovBrigitte Grondin-Perez
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Énergétique
Date : Soutenance le 28/05/2021
Etablissement(s) : La Réunion
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’énergétique, d’électronique et procédés (Saint-Denis, Réunion)
Jury : Président / Présidente : Lingai Luo
Examinateurs / Examinatrices : Florence Druart, Anthony Thomas
Rapporteurs / Rapporteuses : Sergey Alexandrovich Grigoriev, Sophie Didierjean

Résumé

FR  |  
EN

Lancée le 8 septembre 2020, la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène (H2) décarboné constitue un axe prioritaire d’investissement pour la France. L’H2 est aujourd’hui largement produit à partir d’énergie fossile (H2 gris ou carboné ; H2 bleu avec séquestration de CO2 où décarboné) via des procédés fortement émetteurs de gaz à effet de serre (GES). Mais il peut également être produit par électrolyse de l’eau, à partir d’électricité renouvelable (H2 vert ou décarboné) sans émission GES. Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE) sont des candidats pour la production d’H2 vert. Cette thèse expérimentale a été réalisée afin d’apporter des connaissances supplémentaires sur les PEMWE, pour une contribution à l’optimisation du mode électrolyseur du nouveau concept de pile à combustible réversible à trois chambres développé au laboratoire LE2P Energy-Lab. Les travaux réalisés se sont appuyés sur plusieurs verrous technologiques et scientifiques des PEMWE. Par exemple, la gestion fluidique diphasique à l’anode (gaz / liquide) influence fortement l'alimentation en réactif (eau) des sites catalytiques ainsi que l’évacuation du produit de réaction (oxygène) vers l’extérieur. L’étude de l’évolution des bulles d’oxygène anodique sur la surface de la LGDL (canaux de distribution et couche de diffusion) a permis d’identifier plusieurs zones de fonctionnement correspondant à différents régimes bulleux, dont les deux principaux sont : un régime de bulles non coalescées et un régime de bulles coalescées. Le fonctionnement de la PEMWE en zonage a été validé grâce à d’autres données issues des méthodes de caractérisation à base de courbes de polarisation et de spectres d’impédance électrochimique (SIE). Ainsi, il a été démontré la corrélation entre différents régimes bulleux anodique et les courbes de polarisation et des SIE. Pour l’interprétation des différents phénomènes intervenant lors du fonctionnement, un schéma électrique équivalent a été développé afin de modéliser la PEMWE. Le modèle a permis de simuler le comportement résistif, le transfert de charges et de masse dans les différentes zones de fonctionnement de la PEMWE. Une corrélation entre les paramètres des CPE (Constant Phase Element en anglais) du circuit électrique équivalent et les transferts de masse et de charges au sein des PEMWE a été démontrée. Ainsi, à partir des courbes SIE et de polarisation, il est possible de décrire plus précisément l’état d’une cellule de PEMWE en fonctionnement. Comme déjà annoncés, les régimes de bulles anodiques jouent un rôle capital pour le bon fonctionnement des PEMWE. Ces travaux ont permis de démontrer l’impact de ces régimes sur les phénomènes de diffusion (transfert de masse) et de transfert de charge. Les expérimentations ont été menées avec différentes topologies de canaux de distribution dont l’influence sur les performances des PEMWE a été montrée. En outre, l’analyse des résultats des expérimentations a permis de mettre en évidence l’impact du vieillissement de la cellule de PEMWE sur ses performances. Ainsi, des phénomènes d’instabilités sur la tension de la PEMWE, fonction du temps et de la densité du courant électrique de la cellule, ont été clairement identifiés.