Experimental study of a Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer (PEMWE) cell : contribution to the optimization of Reversible Fuel Cell (PEMFC-R), for solar energy storage.

Lancée le 8 septembre 2020, la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène (H2) décarboné constitue un axe prioritaire d’investissement pour la France. L’H2 est aujourd’hui largement produit à partir d’énergie fossile (H2 gris ou carboné ; H2 bleu avec séquestration de CO2 où décarboné) via des procédés fortement émetteurs de gaz à effet de serre (GES). Mais il peut également être produit par électrolyse de l’eau, à partir d’électricité renouvelable (H2 vert ou décarboné) sans émission GES. Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE) sont des candidats pour la production d’H2 vert. Cette thèse expérimentale a été réalisée afin d’apporter des connaissances supplémentaires sur les PEMWE, pour une contribution à l’optimisation du mode électrolyseur du nouveau concept de pile à combustible réversible à trois chambres développé au laboratoire LE2P Energy-Lab. Les travaux réalisés se sont appuyés sur plusieurs verrous technologiques et scientifiques des PEMWE. Par exemple, la gestion fluidique diphasique à l’anode (gaz / liquide) influence fortement l'alimentation en réactif (eau) des sites catalytiques ainsi que l’évacuation du produit de réaction (oxygène) vers l’extérieur. L’étude de l’évolution des bulles d’oxygène anodique sur la surface de la LGDL (canaux de distribution et couche de diffusion) a permis d’identifier plusieurs zones de fonctionnement correspondant à différents régimes bulleux, dont les deux principaux sont : un régime de bulles non coalescées et un régime de bulles coalescées. Le fonctionnement de la PEMWE en zonage a été validé grâce à d’autres données issues des méthodes de caractérisation à base de courbes de polarisation et de spectres d’impédance électrochimique (SIE). Ainsi, il a été démontré la corrélation entre différents régimes bulleux anodique et les courbes de polarisation et des SIE. Pour l’interprétation des différents phénomènes intervenant lors du fonctionnement, un schéma électrique équivalent a été développé afin de modéliser la PEMWE. Le modèle a permis de simuler le comportement résistif, le transfert de charges et de masse dans les différentes zones de fonctionnement de la PEMWE. Une corrélation entre les paramètres des CPE (Constant Phase Element en anglais) du circuit électrique équivalent et les transferts de masse et de charges au sein des PEMWE a été démontrée. Ainsi, à partir des courbes SIE et de polarisation, il est possible de décrire plus précisément l’état d’une cellule de PEMWE en fonctionnement. Comme déjà annoncés, les régimes de bulles anodiques jouent un rôle capital pour le bon fonctionnement des PEMWE. Ces travaux ont permis de démontrer l’impact de ces régimes sur les phénomènes de diffusion (transfert de masse) et de transfert de charge. Les expérimentations ont été menées avec différentes topologies de canaux de distribution dont l’influence sur les performances des PEMWE a été montrée. En outre, l’analyse des résultats des expérimentations a permis de mettre en évidence l’impact du vieillissement de la cellule de PEMWE sur ses performances. Ainsi, des phénomènes d’instabilités sur la tension de la PEMWE, fonction du temps et de la densité du courant électrique de la cellule, ont été clairement identifiés.Launched on September 8, 2020, the national strategy for developing carbon-free hydrogen (H2) is a priority area of investment for France. H2 is now produced mainly from fossil fuels (grey or carbonated H2; blue H2 with CO2 sequestration or carbon-free) via processes that emit high greenhouse gases (GHGs). But it can also be produced by water electrolysis from renewable electricity (green or carbon-free H2) without GHG emissions. Proton exchange membrane electrolyzers (PEMWE) are candidates for the production of green H2. This experimental thesis was carried out to provide additional knowledge on PEMWE to optimize the electrolyzer mode of the new concept of three-chamber reversible fuel cell developed at the LE2P Energy-Lab. The work carried out was based on several PEMWE technological and scientific obstacles. For example, the two-phase fluid management at the anode (gas/liquid) strongly influences the supply of reactant (water) to the catalytic sites as well as the discharge of the reaction product (oxygen) to the outside. The evolution study's of anodic oxygen bubbles on the LGDL surface's (distribution channels and diffusion layer) made it possible to identify several operating zones corresponding to different bullous regimes. The two main ones are a regime of un-coalesced bubbles and a regime of coalesced bubbles. The operation of PEMWE in zoning was validated using other data from characterization methods based on polarization curves and electrochemical impedance spectra (EIS). Thus, the correlation between different anodic bullous regimes and the polarization curves and EIS has been demonstrated. With the intention to interpret the various phenomena occurring during operation, an equivalent electrical diagram has been developed to model the PEMWE. The model made it possible to simulate the resistive behaviour, the transfer of charges and mass in the various operating areas of the PEMWE. A correlation between the CPE parameters (Constant Phase Element) of the equivalent electrical circuit and the mass and charge transfers within the PEMWE has been demonstrated. Thus, it is possible to describe a functioning PEMWE cell's state more precisely from the EIS and polarisation curves. As already announced, anode bubble regimes play a crucial role in the proper functioning of PEMWE. This work has demonstrated these regimes' impact on diffusion (mass transfer) and charges transfer phenomena. Experiments were carried out with different distribution channel topologies whose influence on the performance of PEMWE has been shown. Also, the analysis of the experiments' results made it possible to highlight the impact of the PEMWE cell's ageing on its performance. Thus, instability phenomena on the PEMWE voltage's, time function's and the cell electric current density have been identified