Impact des Polluants Atmosphériques sur la Performance et la Durabilité des Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons pour une Application Automobile

Impact of Air Pollutants on the Performance and Durability of Proton Exchange Membrane Fuel Cells for Automotive Application

• Auteur / Autrice : Ahmad Abd el kader
• Direction : Christian Beauger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 29/04/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Procédés, Énergies Renouvelables et Systèmes Énergétiques. Sophia-Antipolis
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadia Yousfi Steiner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Beauger, Sophie Didierjean, Yann Bultel, Sylvain Brimaud, Marielle Marchand, Gérard David, Pedro Henrique Affonso Nobrega
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Didierjean, Yann Bultel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Polluants atmosphériques

Performances

Véhicules à hydrogène

Hydrogène

Mots clés libres

Hydrogène

Pile à combustible

Durabilité

Performances

Electrochimie

Polluants atmosphériques

Hydrogen

Fuel Cell

Durability

Performance

Electrochemistry

Air pollutants

Résumé

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont des dispositifs de conversion d'énergie prometteurs, offrant une haute efficacité et de faibles émissions pour des applications allant du transport à la production d'électricité stationnaire. Cependant, leur commercialisation à grande échelle reste un défi en raison de problèmes de durabilité, largement influencés par l'exposition aux polluants atmosphériques dans des conditions de fonctionnement réelles.Bien que de nombreuses recherches portent sur les effets des polluants individuels, très peu de données sont disponibles dans la littérature concernant l'impact des mélanges de polluants atmosphériques sur les performances des PEMFC, malgré le fait que, dans des scénarios réels, ces polluants coexistent et contaminent collectivement la pile à combustible. Cette thèse de doctorat vise à combler cette lacune en étudiant l'effet des mélanges de SO₂ et NO₂ sur la performance et la récupération de la cathode des PEMFC, ainsi que l'impact individuel de ces polluants, à travers une approche combinant expériences et modélisation.Expérimentalement, l'étude a évalué l'effet de la concentration en polluants (0,2-2 ppm pour le SO₂, 0,5-1 ppm pour le NO₂) et de la température de fonctionnement (45, 70 et 80 °C) sur la dégradation de la tension et la perte de surface électrochimiquement active (ECSA). La contamination par le SO₂ a entraîné de fortes chutes de tension (jusqu'à 42 % à 2 ppm après 50 heures d'exposition) et des réductions d'ECSA (60-90 %), avec une récupération partielle via une purge à l'air propre et une voltampérométrie cyclique. Le NO₂ a causé des pertes plus faibles et entièrement réversibles (2-6,5 %). Dans les mélanges SO₂/NO₂, le SO₂ a dominé l'empoisonnement, avec une récupération plus lente et moins efficace, mettant en évidence des interactions complexes. La température a significativement influencé ces effets : des températures plus élevées ont aggravé l'impact du SO₂ mais facilité la récupération, tandis que des températures plus basses ont intensifié l'effet du NO₂.Aucun modèle validé ne permettait auparavant de prédire les effets des mélanges de polluants sur les PEMFC. Un modèle prédictif novateur a donc été développé, intégrant des cinétiques d'adsorption/désorption pour simuler les phases de contamination et de récupération des polluants individuels et en mélange. Ce modèle a reproduit les tendances expérimentales avec une faible erreur relative, bien qu'il ait surestimé l'efficacité de la récupération des mélanges en raison d'interactions non modélisées. Ce travail met en évidence la dominance du SO₂, la réversibilité du NO₂ et les défis spécifiques posés par les mélanges, offrant ainsi le premier cadre validé pour prédire le comportement des PEMFC en conditions de pollution mixte et orienter les stratégies de récupération de performance en conditions réelles.

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are promising energy conversion devices, offering high efficiency and low emissions for applications ranging from transportation to stationary power generation. However, their widespread commercialization remains a challenge due to durability issues, which are significantly influenced by exposure to air pollutants in real-world operating conditions.While extensive research exists on individual pollutants, very few data are available in the literature regarding the effects of air pollutant mixtures on PEMFC performance, despite real-life scenarios where pollutants coexist as mixtures and collectively contaminate the fuel cell. This PhD thesis focuses on addressing this gap by investigating the impact of SO₂ and NO₂ mixtures on PEMFC cathode performance and recovery, alongside the individual effect of these pollutants, through a combined experimental and modeling approach.Experimentally, the study assessed pollutant concentration effects (0.2-2 ppm for SO₂, 0.5-1 ppm for NO₂) and operating temperature (45, 70 and 80 °C) on voltage degradation and electrochemically active surface area (ECSA) loss. SO₂ contamination induced severe voltage drops (up to 42% at 2 ppm after 50 hours of contamination) and ECSA reductions (60-90%), with partial recovery via clean air purging and cyclic voltammetry. NO₂ caused milder, fully reversible losses (2-6.5%). In SO₂/NO₂ mixtures, SO₂ dominated poisoning, with slower, less effective recovery, highlighting complex interactions. Temperature significantly influenced outcomes, with higher temperatures worsening SO₂ effects but aiding recovery, and lower temperatures intensifying NO₂ impact.While no validated model had previously been developed to predict the effects of pollutant mixtures on PEMFCs, a novel predictive model was developed, incorporating adsorption/desorption kinetics to simulate individual and mixture contamination and recovery phases. It was able to reproduced experimental trends with low relative error, though it overestimated mixture recovery efficacy due to unmodeled interactions. This work underscores SO₂'s dominance, NO₂'s reversibility, and the unique challenges of mixtures, offering the first validated framework for predicting PEMFC behavior under mixed pollutant conditions and informing real-world recovery strategies.