Caracterisation et contribution à l'optimisation des performances électriques des PEMFC

Characterization and contribution to the optimisation of PEMFC electrical performances

• Auteur / Autrice : Amangoua Kadjo
• Direction : Sergueï Martemianov, Jean-Philippe Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique, énergétique et génie des procédés
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Essais électriques

Transfert de masse

Piles à combustible

Résumé

Le fonctionnement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est complexe suite au grand nombre de paramètres de fonctionnement à contrôler. Une connaissance détaillée des phénomènes de transferts se produisant dans le coeur des piles est donc nécessaire. Cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale des PEMFC alimentées en hydrogène (anode) et oxygène ou air (cathode) ; divers aspects technologiques et scientifiques ont été étudiés en vue de contribuer à l’amélioration des connaissances et performances énergétiques de ces générateurs électriques. La mise au point d’un banc d’essais supportant des puissances maximales de 1,2 kW, entièrement automatisé sous LabView, a été réalisée pour tester aussi bien des mono-cellules que des stacks. Une partie importante du travail expérimental a été associée à la maîtrise et à l’optimisation des assemblages de mono-cellules PEMFC (couple de serrage, types de joints d’étanchéité et de couches de diffusion de gaz). A partir d’AME appropriés et de l’optimisation des assemblages des PEMFC, on a pu obtenir une densité de puissance maximale de l’ordre de 1,3 W/cm², résultat qui est supérieur à ceux généralement trouvés dans la littérature (de l’ordre de 1 W/cm²). L’amélioration de la fluidique des plaques bipolaires (ajout d’un système de déflecteur) des cellules a permis d’augmenter considérablement la durée de vie des PEMFC. En outre, une étude systématique de l’influence des paramètres de fonctionnement (température de cellule, humidité des réactifs, pression anodique et cathodique et débit des réactifs) sur les performances électriques des cellules a été effectuée. Celle-ci a permis de définir des conditions standard de fonctionnement pour l’étude de l’influence de différents types d’AME. Dans ces conditions standard, différents AME ont été testés, avec pour objectif l’augmentation des performances électriques et la réduction de la charge en catalyseur. Une modélisation des phénomènes de transferts couplés dans les PEMFC a été développée à partir notamment des équations de Stefan-Maxwell (couches de diffusion et réaction), de Butler-Volmer (couches de réaction) et de la diffusion de l’eau (membrane polymère). Cette modélisation permet d’interpréter nos résultats expérimentaux et d’orienter les recherches d’optimisation des performances électriques. En effet, elle facilite la compréhension fine des phénomènes de transferts, la recherche des paramètres de sensibilité prépondérants, la prévision et l’amélioration des performances électriques, ainsi que l’identification de certains paramètres mal connus (charge en platine, conductivité ionique de la membrane,…) à partir des tests en pile.