Soutenance thèse Marine Cornet

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont des dispositifs électrochimiques qui convertissent l'énergie chimique de l'hydrogène et de l'oxygène en énergie électrique. Elles sont considérées comme une solution pertinente pour limiter les émissions de CO2 du transport longue distance et d’applications stationnaires. Toutefois, outre les problèmes de production d'hydrogène vert, de mise en place d’infrastructures de ravitaillement et de coût de production, la production et l'utilisation de masse se heurtent encore à des problèmes de performance et de durabilité des piles.
Le fonctionnement des PEMFCs implique la présence d'hétérogénéités dans la production de courant, de chaleur et d'eau le long de la surface active. En effet, les PEMFCs sont des systèmes ouverts et, en tant que tels, les hétérogénéités de fonctionnement sont inhérentes à leur fonctionnement. Des hétérogénéités de fonctionnement non contrôlées sur une grande surface active de la cellule peuvent entraîner une perte de performance et provoquer des dégradations locales. Les études menées jusqu'à présent se sont concentrées sur la relation entre les hétérogénéités de fonctionnement et la dégradation locale pour une gamme limitée de conditions opératoires. En outre, la littérature est riche de tentatives pour obtenir une distribution uniforme de la densité de courant. Ces tentatives sont principalement axées sur le design des plaques bipolaires et les conditions opératoires, avec
l'hypothèse sous-jacente qu'une densité de courant uniforme est corrélée à une amélioration des performances.
Pour résoudre les problèmes de performance et de durée de vie des PEMFC, il est essentiel d'avoir une meilleure compréhension des hétérogénéités de fonctionnement à l'échelle de la cellule, ce qui nécessite de tester une large gamme de conditions de fonctionnement. Pour éviter les contraintes expérimentales, les simulations numériques semblent être l'option la plus viable. Il est donc nécessaire de disposer de modèles à l'échelle de la cellule qui soient à la fois rapides et précis. Dans cette optique, des travaux antérieurs ont conduit au développement et à l'étalonnage expérimental d'un modèle pseudo-3D d'une cellule de grande taille. Pour réduire encore le temps de calcul, un nouveau modèle pseudo-3D à moyenne spatiale, multi-physique, monophasique, non-isotherme et en régime permanent est développé et calibré avec les résultats du modèle précédent. En particulier, il capture
l'influence du fonctionnement du liquide de refroidissement (caloporteur) sur la distribution de la température et de l'eau dans la cellule. En outre, une nouvelle méthodologie est proposée pour calibrer la loi électrochimique de tension de cellule pour n’importe quel assemblage membrane-électrodes (AME). L'émulation des conditions locales d’une grande surface active est réalisée avec une petite cellule différentielle, ce qui permet la calibration de la loi de polarisation. Suite au calage, des simulations sont effectuées pour étudier l'impact du gradient de température du caloporteur, de la température de sortie du caloporteur et de l'humidité relative des gaz sur les performances et les hétérogénéités.
L’étude numérique est suivie d'une étude expérimentale sur deux AME différents assemblés dans deux stacks PEM. Les stacks sont soumis à des essais dans diverses conditions opératoires afin d'étudier leur impact sur les performances et la distribution de la densité de courant.
Ce travail de thèse multi-échelle combine donc des approches numériques et expérimentales pour mieux comprendre les hétérogénéités de fonctionnement. Il étudie l'impact des paramètres associés au refroidissement, paramètres qui ont été relativement peu étudiés, et cherche à comprendre la relation entre les performances et la distribution de la densité de courant.