Approche multi-échelle des mécanismes de vieillissement des coeurs de pile à combustible

Multi-scale approach of membrane ageing mecanisms in PEM fuel cell

• Auteur / Autrice : Gilles De Moor
• Direction : Lionel Flandin, Corine Bas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 05/11/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Lottin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Flandin, Corine Bas, Eric Claude, Jean Claude Lepretre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Colin, Deborah Jones

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détérioration

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

PEMFC

Nafion

Dégradation

Vieillissement

Caractérisation

Court-circuit

Stack

PEMFC

Nafion

Degradation

Ageing

Characterization

Short -circuit

Stack

Résumé

Malgré d'importants progrès ces dix dernières années, les piles à combustible de type PEMFC (à membrane échangeuse de protons) souffrent toujours de fin de vie prématurée. Le catalyseur et la membrane, principaux constituants du cœur de la pile, sont les deux éléments principalement mis en cause. Ce travail a pour objectif de comprendre les modes de rupture et de dégradation de la membrane électrolyte durant le fonctionnement. Différents types de vieillissement ont été analysés, à la fois en laboratoire mais également sur des systèmes ayant fonctionné sur site en conditions réelles d'opération (jusqu'à 13000 heures). Au travers une approche multi-échelle (du système macroscopique à l'analyse des propriétés macromoléculaires de la membrane) et d'une utilisation systématique (plusieurs centaines d'échantillons analysés), des scénarios de dégradation ont été établis. Dans un premier temps, des outils de caractérisation macroscopiques ont été spécifiquement développés pour sonder rapidement l'ensemble des cellules d'un stack. Ces outils permettent d'identifier les défauts inter et intra-cellule tout en discriminant les propriétés barrières aux gaz des propriétés d'isolation électronique des membranes, tous deux responsables des courants de fuite en système. Cette approche systématique sur l'ensemble des échantillons a mis en évidence des zones spécifiques favorisant la dégradation prématurée des membranes. Dans un second temps, des caractérisations physico-chimiques ciblées dans ces zones de défaillance ont révélé une dégradation fortement localisée et principalement favorisée par des conditions opératoires spécifiques dans les zones d'entrée des gaz.

In spite of strong improvements in fuel cell design this last ten years, Proton Exchange Membrane Fuel Cell are still suffering of premature end of life. Failure of the heart of fuel cell, composed of membrane and catalysts, is commonly responsible for fuel cell shutdown. This work brings an original contribution in understanding membrane degradation mechanisms. Different ageing tests were analyzed, in laboratory as well as in real life operating conditions (up to 13000 hours of solicitations). Within a multi-scale approach, from macroscopic to microscopic, and with a systematic usage (hundreds of samples fully characterized), some degradation mechanisms were established. Firstly, macroscopic tools were specifically developed to rapidly track state of health of all the cells from each stack. With the help of these tools, we were able to identify defects inter and intra-cell. It was also possible to discriminate between gas crossover or electronic short-circuit defects, both responsible for current leaks. This systematic approach on each samples put forward some specific areas within the membrane where degradation was promoted. Secondly, physico-chemical characterizations were performed on membrane targeted areas. It was shown that membrane degradation is strongly localized in some specific channels of the bipolar plates and favored by specific operating conditions in the gaz inlets areas.