Caracterisation et contribution à l'optimisation des performances électriques des PEMFC

Le fonctionnement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est complexe suite au grand nombre de paramètres de fonctionnement à contrôler. Une connaissance détaillée des phénomènes de transferts se produisant dans le coeur des piles est donc nécessaire. Cette thèse est consacrée à l étude expérimentale des PEMFC alimentées en hydrogène (anode) et oxygène ou air (cathode) ; divers aspects technologiques et scientifiques ont été étudiés en vue de contribuer à l amélioration des connaissances et performances énergétiques de ces générateurs électriques. La mise au point d un banc d essais supportant des puissances maximales de 1,2 kW, entièrement automatisé sous LabView, a été réalisée pour tester aussi bien des mono-cellules que des stacks. Une partie importante du travail expérimental a été associée à la maîtrise et à l optimisation des assemblages de mono-cellules PEMFC (couple de serrage, types de joints d étanchéité et de couches de diffusion de gaz). A partir d AME appropriés et de l optimisation des assemblages des PEMFC, on a pu obtenir une densité de puissance maximale de l ordre de 1,3 W/cm , résultat qui est supérieur à ceux généralement trouvés dans la littérature (de l ordre de 1 W/cm ). L amélioration de la fluidique des plaques bipolaires (ajout d un système de déflecteur) des cellules a permis d augmenter considérablement la durée de vie des PEMFC. En outre, une étude systématique de l influence des paramètres de fonctionnement (température de cellule, humidité des réactifs, pression anodique et cathodique et débit des réactifs) sur les performances électriques des cellules a été effectuée. Celle-ci a permis de définir des conditions standard de fonctionnement pour l étude de l influence de différents types d AME. Dans ces conditions standard, différents AME ont été testés, avec pour objectif l augmentation des performances électriques et la réduction de la charge en catalyseur. Une modélisation des phénomènes de transferts couplés dans les PEMFC a été développée à partir notamment des équations de Stefan-Maxwell (couches de diffusion et réaction), de Butler-Volmer (couches de réaction) et de la diffusion de l eau (membrane polymère). Cette modélisation permet d interpréter nos résultats expérimentaux et d orienter les recherches d optimisation des performances électriques. En effet, elle facilite la compréhension fine des phénomènes de transferts, la recherche des paramètres de sensibilité prépondérants, la prévision et l amélioration des performances électriques, ainsi que l identification de certains paramètres mal connus (charge en platine, conductivité ionique de la membrane, ) à partir des tests en pile.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF