La soutenance de thèse de Mélanie GRIGNON, intitulée « Méthodologies pour la modélisation des performances et du vieillissement des piles à combustible PEMBT avec des conditions opératoires variables et représentatives d’une application réelle», aura lieu le jeudi 15 février 2024 à 14h00 en salle C002, site ENSEEIHT.
Les travaux de thèse ont été réalisés sous la direction de M. Christophe TURPIN et M. Amine JAAFAR.
Jury :
M. Loïc BOULON – Université du Québec à Trois-Rivières – Rapporteur
Mme. Nadia YOUSFI STEINER – Université de Franche-Comté – Rapporteur
Mme. Sophie DIDIERJEAN – Université de Lorraine – Examinatrice
M. Sébastien ROSINI – CEA – Examinateur
M. Christophe TURPIN – CNRS – Directeur de thèse
M. Amine JAAFAR – LAPLACE – Co-directeur de thès
Résumé :
Les piles à combustible PEM représentent une solution prometteuse au sein d’une transition énergétique de plus en plus portée vers la réduction des émissions de CO2 et l’intégration d’énergies renouvelables. Dans le cadre du développement et de l’industrialisation de ces composants (notamment le stack), l’amélioration à la fois de performances et de la durabilité fait partie des points clés. Les piles à combustible étant amenées à avoir des durées de vie de plus en plus importantes, il est nécessaire de mettre en place des outils pour estimer leur réponse électrique sur de longues étendues temporelles.
Dans cette optique, la présente thèse CIFRE porte sur la prédiction de la performance et de la durabilité de piles à combustible PEM basse température fonctionnant en H2/Air, en fonction des conditions opératoires et de la prise en compte des contraintes d’exploitation spécifiques aux applications concernées. Ce travail est le fruit d’une collaboration entre le laboratoire LAPLACE et l’industriel ALSTOM Hydrogène. De longues campagnes de vieillissement (plus de 1500 h chacune) ont été réalisées à cet effet en cyclant plusieurs profils de mission dans des conditions visant à se rapprocher des applications réelles.
La méthodologie d’étude initialement prévue en début de thèse n’a pas été en mesure d’être appliquée en raison d’un comportement atypique, mais en faveur de la technologie des composants testés à l’échelle des campagnes d’essais. Nous avons été amenés à réaliser une étude avancée des caractérisations et des grandeurs mesurées afin de comprendre les allures des réponses multiphysiques observées. Cette étude réalisée dans le 1er chapitre a mis en évidence une certaine complexité pour expliquer ces phénomènes sur la base des données observées, ce qui nous a poussés à étudier plus précisément l’impact sur la réponse en tension du stack d’éventuelles fluctuations de conditions opératoires lors du fonctionnement des piles testées.
Le chapitre 2 porte ainsi sur la mise en place d’une expression de la tension des piles à combustible cyclant les profils de mission en utilisant des lois linéaires liées à l’ensemble des conditions opératoires de fonctionnement. Cette approche plutôt « boite noire » a permis d’écarter l’implication des conditions opératoires dans les comportements particuliers observés sur les résultats d’essais. Par la suite, nous avons considéré d’autres approches afin de modéliser la tension du composant.
Le chapitre 3 consiste en une modélisation de la tension d’un des composants testés en vieillissement en prenant en compte les réversibilités de tension qui apparaissent après les phases d’arrêt/démarrage. Des lois ont pu être établies sur la base des résultats des campagnes d’essais et ont permis une estimation assez générale du comportement des tensions pour la campagne étudiée. Des limitations sont toutefois présentes en raison du comportement assez peu reproductible de la tension au cours du temps et pour les autres piles testées en raison des tendances peu nettes à l’échelle des essais réalisés.
Enfin, le chapitre 4 porte sur l’établissement d’un modèle semi-empirique sur la base de courbes de polarisation obtenues dans le cadre d’un plan d’expérience (PEX), réalisé avec un composant similaire à ceux sur lesquels les profils ont été testés. Ce modèle donne une estimation moyenne des courbes plutôt pertinente pour le stack concerné, notamment pour les courbes réalisées à conditions opératoires variables, mais reste limité en raison d’un décalage net des performances au cours du PEX. L’extension du modèle aux stacks ayant fonctionné en endurance s’est par ailleurs révélée complexe en raison de conditions opératoires de fonctionnement différentes.
