De la réactivité des plaques bipolaires métalliques à la dégradation de la membrane : Modélisation couplée du vieillissement des piles à combustible

From bipolar plates' reactivity to membrane's chemical degradation : Coupled modelling of Fuel cells' aging

• Auteur / Autrice : Imen Elferjani
• Direction : Bernard Normand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 06/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Omar El Kedim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Normand, Omar El Kedim, Corine Bas, Yann Bultel, Guillaume Serre, BenoÎt Ter-Ovanessian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Corine Bas, Yann Bultel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Matériaux

Pemfc

Plaque bipolaire métallique

Corrosion

Modélisation

Dégradation c

Mécanisme de dégradation

Piles à combustible

Ion métallique

Simulation numérique

Transport ionique

Vieillissement

Materials

PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Metallic bipolar plate

Corrosion

Modeling

Degradation

Degradation scenario

Fuell cell

Metal ion

Numerical simulation

Ionic transport

Aging

Résumé

Le principal frein au développement à grande échelle des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) réside dans l’existence de nombreux mécanismes de dégradation qui peuvent survenir sur un ou plusieurs compartiments de la cellule. Dans ce contexte, cette thèse concerne l’étude et la modélisation du couplage et de l’interdépendance entre la corrosion des plaques bipolaires (PBs) métalliques et la dégradation chimique de la membrane lors du fonctionnement d’une PEMFC. En effet, les ions produits par la corrosion des PBs participent aux mécanismes de dégradation de la membrane et les produits de dégradation de la membrane, notamment les ions fluorure, peuvent accélérer les phénomènes de corrosion localisée. Une étude expérimentale paramétrique de la corrosion des PBs a été réalisée dans différentes conditions simulant le milieu pile. Les paramètres principaux qui ont été étudiés sont : la température, les concentrations en espèces ioniques et le pH. L’ensemble de ces résultats a été intégré dans une cartographie réalisée sous Matlab® permettant ensuite de déterminer des courants de corrosion et une quantité d’ions ferreux relâchés. Ensuite, les effets de ces ions ferreux sur la dégradation chimique de la membrane par le mécanisme de Fenton ont été modélisés dans le code MePHYSTO (plateforme MUSES un simulateur de performance PEMFC) sous la plateforme Matlab/Simulink®. Ces résultats ont été comparés avec des essais ex-situ de dégradation de membranes et ont montré la nécessité de prendre en compte le transport des espèces ioniques à travers la cellule dans la modélisation. Ainsi, après intégration dans le modèle des phénomènes de corrosion, du transport ionique et de la dégradation chimique, des simulations numériques ont été réalisées en considérant un cycle NEDC (New European Driving Cycles) et ont bien démontré l’intérêt de prendre en considération les effets de couplage pour la prédiction et la quantification de la dégradation de la PEMFC.

The main obstacle to the large-scale development of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) is the existence of numerous degradation mechanisms that can occur in one or more compartments of the cell. In this context, this thesis proposes to study and model the coupling and interdependence between the corrosion of metallic bipolar plates (BPs) and the chemical degradation of the membrane considering operating conditions. Indeed, the ions produced by the corrosion of the BPs can participate in the degradation mechanisms of the membrane and the degradation products of the membrane, in particular the fluoride ions, can accelerate the localized corrosion phenomenon. A parametric experimental study of the corrosion of BPs was performed under different conditions simulating the PEMFC environment. The main parameters studied were temperature, ionic species concentrations and pH. All these results were integrated in a Look Up Table carried out with Matlab® allowing to determine the corrosion currents and to quantity the ferrous ions released. Then, the effects of these ferrous ions on the chemical degradation of the membrane by the Fenton mechanism were modeled in the MePHYSTO code (MUSES platform, a PEMFC performance simulator) under the Matlab/Simulink® platform. These results were compared with ex-situ membrane degradation tests and showed the necessity of taking into account the transport of ionic species through the cell. Thus, after integration in the model of corrosion phenomena, ionic transport and chemical degradation, numerical simulations were carried out by considering a NEDC (New European Driving Cycles) cycle and showed the interest of taking into account the coupling effects for the prediction and the quantification of the degradation of the PEMFC.