Understanding of the relationship between the mechanical state and the durability of PEM fuel cells

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont l'un des dispositifs les plus prometteurs pour la transition vers une énergie verte. Elles sont en effet apparues comme une solution alternative aux énergies fossiles contribuant à la réduction de la pollution.Il reste cependant de nombreux défis à relever pour généraliser son usage, dont un accroissement de sa durée de vie et une optimisation de ses performances. De nombreuses études se sont attelées à résoudre ces problématiques, en omettant la prise en compte de l’état mécanique de la PEMFC et du cœur de pile en particulier (MEA), sujet de cette étude doctorale.L’étude est ainsi basée sur une approche mécanique duale expérimentale et numérique pour prédire les niveaux de contraintes et de déformations subies par le cœur de pile lors du cyclage hygrothermique induit par le fonctionnement du système.De nouvelles méthodes expérimentales ont été développées pour déterminer les propriétés mécaniques réelles des différents composants de la PEMFC ou de ses interfaces. A titre d’exemple, les comportements mécaniques isotropes transverses de différents types de GDL ont été mesurés à l’aide de tests de traction, de cisaillement et de compression. Une nouvelle méthodologie a également été établie pour évaluer les propriétés de frottement des interfaces des MEA.Un modèle numérique a alors été développé, intégrant les données expérimentales acquises dans les parties précédentes, capable de prédire les niveaux de contraintes et de déformations se développant dans le cœur de pile dans des conditions hygrothermiques similaires à celles imposées lors du fonctionnement d’une PEMFC.Cette étude a permis de montrer que les propriétés des GDL n’ont pas d'influence significative sur la réponse mécanique de la membrane. Il serait par ailleurs possible de limiter la déformation plastique de la membrane en imposant un assemblage des différents éléments de la PEMFC selon un chargement fixe et en laissant glisser les différentes couches du cœur de pile dans leur plan. Ce résultat théorique serait le gage d’une moindre déformation plastique de la membrane contribuant in fine à une meilleure durabilité de la pile.Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are one of the most promising devices for the transition to green energy. They have emerged as alternative solution to fossil fuels contributing to the reduction of pollution.However, there are still many challenges to be met to make their use widespread, including increasing their lifespan and optimizing their performance. Numerous studies have been carried out to solve these problems, without taking into account the mechanical state of the PEMFC and of the cell core in particular (MEA), which is the subject of this doctoral study.The study is thus based on a dual experimental and numerical mechanical approach to predict the levels of stress and strain undergone by the core of PEMFC during hygrothermal cycling induced by the system operation.New experimental methods have been developed to determine the mechanical properties of the different components of the PEMFC or its interfaces. As an example, the transverse isotropic mechanical behavior of different types of GDL was measured using tensile, shear and compression tests. A new methodology was also established to evaluate the frictional properties of MEA interfaces.A numerical model was then developed, integrating the experimental data acquired in the previous parts, capable of predicting the stress and strain levels developing in the core of the cell under hygrothermal conditions similar to those imposed during the operation of a PEMFC.This study has shown that the GDL properties do not have a significant influence on the mechanical response of the membrane. It would be possible to limit the plastic deformation of the membrane by imposing an assembly of the different elements of the PEMFC according to a fixed loading and by letting the different layers of the cell core slide in their plane. This theoretical result would guarantee a lower plastic deformation of the membrane, contributing in fine to a better durability of the cell