Compréhension des relations entre l'état mécanique et la durabilité de piles à combustible de type PEM
Auteur / Autrice : | Marwa Ouerghemmi |
Direction : | Patrice Mélé |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie |
Date : | Soutenance le 16/12/2022 |
Etablissement(s) : | Université Grenoble Alpes |
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 : Yann Meyer |
Examinateurs / Examinatrices : Assma El Kaddouri, Marian Chatenet | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Lottin, Denis Candusso |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Résumé
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont l'un des dispositifs les plus prometteurs pour la transition vers une énergie verte. Elles sont en effet apparues comme une solution alternative aux énergies fossiles contribuant à la réduction de la pollution.Il reste cependant de nombreux défis à relever pour généraliser son usage, dont un accroissement de sa durée de vie et une optimisation de ses performances. De nombreuses études se sont attelées à résoudre ces problématiques, en omettant la prise en compte de l’état mécanique de la PEMFC et du cœur de pile en particulier (MEA), sujet de cette étude doctorale.L’étude est ainsi basée sur une approche mécanique duale expérimentale et numérique pour prédire les niveaux de contraintes et de déformations subies par le cœur de pile lors du cyclage hygrothermique induit par le fonctionnement du système.De nouvelles méthodes expérimentales ont été développées pour déterminer les propriétés mécaniques réelles des différents composants de la PEMFC ou de ses interfaces. A titre d’exemple, les comportements mécaniques isotropes transverses de différents types de GDL ont été mesurés à l’aide de tests de traction, de cisaillement et de compression. Une nouvelle méthodologie a également été établie pour évaluer les propriétés de frottement des interfaces des MEA.Un modèle numérique a alors été développé, intégrant les données expérimentales acquises dans les parties précédentes, capable de prédire les niveaux de contraintes et de déformations se développant dans le cœur de pile dans des conditions hygrothermiques similaires à celles imposées lors du fonctionnement d’une PEMFC.Cette étude a permis de montrer que les propriétés des GDL n’ont pas d'influence significative sur la réponse mécanique de la membrane. Il serait par ailleurs possible de limiter la déformation plastique de la membrane en imposant un assemblage des différents éléments de la PEMFC selon un chargement fixe et en laissant glisser les différentes couches du cœur de pile dans leur plan. Ce résultat théorique serait le gage d’une moindre déformation plastique de la membrane contribuant in fine à une meilleure durabilité de la pile.