Approche multi-échelle de la marinisation des piles à combustible : effets du chlorure de sodium sur la dégradation de mono-cellules et stacks PEMFC

Multiscale study of fuel cell marinisation : effects of sodium chloride on the degradation of PEMFC single cells and stacks

• Auteur / Autrice : Marie Lamard
• Direction : Bruno Auvity, Bruno Auvity, Paul Buttin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 10/05/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Yann Bultel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Brimaud, Stéphane Chevalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laetitia Dubau, Olivier Lottin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie des mers

Mots clés libres

Pemfc

Environnement marin

Chlorure de sodium

Impuretés métalliques

Pemfc

Marine environment

Sodium chloride

Metal impurities

Résumé

L’utilisation des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est en plein essor pour le transport maritime. En environnement marin, l’air alimentant ces piles contient du chlorure de sodium (NaCl) qui peut affecter leurs performances. Dans ce contexte, les travaux de thèse se concentrent sur la quantification expérimentale de l’impact du NaCl sur les PEMFC.Un montage expérimental dédié générant un brouillard salin aux caractéristiques maîtrisées (concentration, débit, température) a été conçu et mis au point afin de contaminer des mono-cellules et stacks PEMFC.Tous les essais de pollution ont engendré des chutes de performances. Des traces de chlore ont été détectées dans les assemblages membrane électrodes (AME) et ont provoqué une dissolution du catalyseur de platine des mono-cellules. Ces dernières ont néanmoins présenté une régénération partielle après rinçage.Le NaCl injecté a également dégradé les plaques distributrices métalliques des stacks, dont les produits de corrosion ont été identifiés dans les AME. Un rinçage à l’eau déonisée a permis une excellente récupération des performances en évacuant une partie des particules nocives.Des dégradations similaires ont été observées sur un stack qui a équipé un voilier à propulsion hydrogène ayant navigué en mer. Les présents travaux de thèse confirment que l’air marin est néfaste pour les PEMFC et précisent que son effet ne dépend pas uniquement de la concentration en NaCl mais également du type d’AME, des plaques distributrices, et des procédures de démarrage et d’arrêt. Il est donc avéré qu’une protection de la cathode des PEMFC est indispensable pour les applications maritimes.

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are good candidates for maritime transportation. Marine air used for feeding fuel cells contains sodium chloride (NaCl) that can affect their performance. In that respect, this work focuses on the impact of NaCl on PEMFCs.A dedicated experimental setup generating salt spray with controlled properties (concentration, flow rate, temperature) was conceived and developed to contaminate PEMFC single cells and stacks.All contamination tests resulted in cell voltage losses. Chorine impurities were found in membrane electrode assemblies (MEAs) and caused platinum dissolution for single cells. Then, a nitrogen rinsing step triggered partial recovery of performance.NaCl injection also provoked the degradation of metallic gas distribution plates and corrosion products were identified in MEAs. Fortunately, clean water rinsing helped to regenerate stack performance by removing harmful metal particles.Similar degradations were observed for a sailboat propulsion stack operated at sea. Overall, this PhD research work confirms that marine air can damage PEMFCs after a few hours of exposure. The significance of the impact not only depends on NaCl concentration, but also on MEA and distribution plate types, and startup/shutdown procedure. Finally, PEMFC cathode protection is essential for marine applications.