Investigation de l'impact des matériaux d'AME sur sa cinétique d'activation, optimisation de la procédure de rodage associée, et développement de nouveaux concepts de pré-conditionnement ex-situ.

Investigation of the impact of MEA materials on its activation kinetics, optimization of the associated break-in procedure, and development of new ex-situ pre-conditioning concepts.

• Auteur / Autrice : Gaspard Langlois
• Direction : Elodie Pahon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le 07/10/2024
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Énergie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)

Mots clés

Mots clés libres

Activation

Rodage

Condtionnement

Pemfc

Activation

Break-in

Conditioning

Pemfc

Résumé

Si la pile à combustible apparait aujourd'hui comme une technologie alternative pour faire face aux défis environnementaux et économiques grandissants, son transfert vers l'industrie doit être accéléré. Ces systèmes complexes doivent effectivement être optimisés dans leurs phases de conception, d'assemblage et de fonctionnement afin de pouvoir augmenter significativement leur durée de vie. Ceci sous-tend de mieux maîtriser cette technologie, et par là même, de mieux en comprendre et en émuler le comportement. Parallèlement, les piles à membrane échangeuses de protons (PEMFC) nécessitent une procédure d'activation / de rodage lors de leur première utilisation après assemblage. Les conditions les plus importantes pour réussir le rodage de la pile sont d'assurer une hydratation optimale de la membrane et l'activation du catalyseur. Ce processus peut durer néanmoins plusieurs heures et consomme une quantité non négligeable de temps de bancs expérimentaux (bancs de rodage) et d'hydrogène, entraînant ainsi des coûts d'exploitation élevés, incompatibles avec un processus d'industrialisation. C'est sur cette problématique que la thèse se positionne : son objectif est de trouver des stratégies à même de limiter les coûts de l'industriel liés au rodage du dispositif, pour une production de masse de systèmes pile à combustible. La réduction de temps de cycle d'activation n'est pas un sujet entièrement nouveau ni pour l'industriel, ni pour le laboratoire FEMTO-ST, qui se sont penchés ensemble sur ce verrou majeur il y a plusieurs années. Parmi ces efforts, des travaux furent menés dans le cadre d'une thèse CIFRE en collaboration entre l'entreprise Symbio et le laboratoire FEMTO-ST, au sein de plateforme hydrogène-énergie gérée par FCLAB, qui ont pu donner naissance à des protocoles de rodage accélérés. Ces nouvelles procédures ont permis de réduire la durée d'activation du dispositif électrochimique à ~2 heures, tout en obtenant un rendement final de pile supérieur aux procédures classiques de la littérature dont la durée peut atteindre jusqu'à 24 heures. Malgré ces efforts, le temps de cycle de rodage reste trop élevé pour suivre les objectifs de production ambitieux fixés par l'industriel. En effet, les nouvelles stratégies de l'entreprises, telles que l'activation cellule par cellule, ou encore le changement de matériaux d'AMEs, implique un rodage de cellules à une cadence bien plus élevée, tout en étant totalement adapté aux matériaux de l'AME utilisée. Ainsi, afin d'éviter que cette étape ne devienne le goulot de l'usine, obtenir une maitrise totale de l'activation des différents matériaux d'une PEMFCs est nécessaire. De plus, l'exploration de solutions alternatives permettant de scinder l'activation en sous-étapes afin de les paralléliser sur une chaine de production semble aussi devenir indispensable. C'est dans ce contexte que cette thèse de doctorat s'inscrit, afin de s'assurer que l'activation ne devienne pas le facteur limitant la capacité de production d'une PEMFC. Après une étude exhaustive des travaux précédemment menés sur l'activation des PEMFCs, l'objectif principal de la thèse sera de proposer et d'optimiser des procédures permettant de (pré-)conditionner des PEMFC de compositions variables, afin de réduire le temps associé à la mise en état de fonctionnement nominal du dispositif électrochimique. Ce point est bien évidemment clé dans cette thèse CIFRE en collaboration entre le laboratoire FEMTO-ST, et Symbio, puisque cela devra permettre de réduire très sensiblement les coûts liés à ce temps de rodage sur une production de masse. Sur la base de travaux antérieurs concernant les principes physiques fondamentaux du processus de conditionnement des piles à combustible, le candidat devra identifier l'impact de la composition de l'AME sur la cinétique de conditionnement, optimiser les protocoles de rodage existants et proposer des nouvelles méthodes de pré-activation de certains composants.

If fuel cells are now emerging as an alternative technology to address growing environmental and economic challenges, their transfer to industry must be accelerated. These complex systems must be optimized in their design, assembly and operation phases to significantly increase their service life. This is the basis for better understanding of the technology and, by extension, its behaviour. At the same time, proton-exchange membrane (PEMFC) batteries require an activation/break-in procedure when first used after assembly. The most important conditions for successful break-in procedure are to ensure optimal membrane hydration and catalyst activation. This process can take several hours and consumes a significant amount of time from experimental benches (break-in benches) and hydrogen, thus leading to high operating costs, incompatible with an industrialization process. The thesis is based on this problem: its objective is to find strategies capable of limiting the costs of the industrialist related to the device, for a mass production of fuel cell systems. The reduction of activation cycle times is not an entirely new subject for the manufacturer or the FEMTO-ST laboratory, which looked at this major lock together several years ago. Among these efforts, work was carried out in the framework of a CIFRE thesis in collaboration between the company Symbio and the laboratory FEMTO-ST, within a hydrogen-energy platform managed by FCLAB, which were able to give birth to accelerated burn-in protocols. These new procedures have reduced the activation time of the electrochemical device to ~2 hours, while obtaining a higher final battery yield than conventional procedures in the literature which can last up to 24 hours. Despite these efforts, the break-in cycle time is still too long to meet the ambitious production targets set by the manufacturer. Indeed, new company strategies such as cell-by-cell activation or EMS material change involve the break-in of cells at a much higher rate, while being fully adapted to the materials of the AME used. Thus, in order to avoid this step becoming the bottleneck of the plant, it is necessary to obtain a total control of the activation of the different materials of a PEMFCs. In addition, the exploration of alternative solutions to split activation into sub-steps in order to parallelize them on a production chain also seems to become indispensable. This is the context of this PhD thesis, to ensure that activation does not become the limiting factor in the production capacity of a PEMFC. After a comprehensive study of the previous work on PEMFC activation, the main objective of this thesis will be to propose and optimize procedures for (pre)conditioning of PEMFC with variable compositions, to reduce the time associated with the design of the electrochemical device. This point is obviously key in this thesis CIFRE in collaboration between the laboratory FEMTO-ST, and Symbio, since it will allow to reduce very significantly the costs related to this time of running on a mass production. Based on previous work on the fundamental physical principles of the fuel cell packaging process, the candidate will identify the impact of the composition of the MEA on the packaging kinetics, Optimize existing break-in protocols and propose new methods for pre-activating certain components.