Modélisation de la dégradation chimique de membranes dans les piles à combustibles à membrane électrolyte polymère - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2012

Modeling of chemical degradation in polymer electrolyte membrane fuel cells

Modélisation de la dégradation chimique de membranes dans les piles à combustibles à membrane électrolyte polymère

Abstract

This thesis proposes a modeling approach of the chemical degradation by radcals attack of the mem-brane in polymer electrolyte membrane fuel cells, as well as its impact on the electrochemical per-formance degradation. The work considers a perfluorosulfonated acid type membrane. Its structure is strongly influenced by humidification, which also impacts the transport properties of mass and charge within the membrane. In order to study the degradation of the membrane, we first established a multi-species transport model for protons, water, and dissolved gases, radicals and ions. We then included detailed chemical reaction mechanisms of hydrogen peroxide formation, hydrogen peroxide decompo-sition, and radical attack of the membrane. Finally, a feedback between degradation, structure, and performance was established. Parameters were identified and the model was validated using literature experimental data both under performance and degradation aspects. The model was then exploited under different conditions, from pure laboratory conditions (constant current kept over a long time) to working conditions which are more representative of the use of a PEMFC for stationary applications (performance cycles).
Cette thèse propose une approche de modélisation de la dégradation chimique par attaque radicalaire de la membrane dans les piles à combustibles à membrane électrolyte polymère, ainsi que à son impact sur la dégradation de la performance électrochimique. La membrane considérée dans cette étude est de type perfluorosulfonique, avec une structure dépen-dant fortement de son humidification et conditionnant les propriétés de transport. Afin d'étudier la dégradation de la membrane, il faut dans un premier temps établir un modèle de transport, qui sera utilisé aussi bien dans le modèle de dégradation que par les modèles de performance de cellule déjà existants. Une fois ce modèle établi, nous nous focalisons sur la partie dégradation chimique. Après une compréhension globale des phénomènes physico-chimiques se déroulant lors de la dégradation, une mise en équation détaillée est nécessaire. Même les concepts utilisés sont relativement simples, le besoin de nombreux paramètres nous a contraint à simplifier le modèle sur certains points, notamment le mécanisme de dégradation chimique, tant la complexité du phénomène est un frein à la paramétrisa-tion du modèle. Ce modèle, avec ses simplifications et ses hypothèses, est ensuite validé, aussi bien d'un point de vue performance que d'un point de vue dégradation. Il est pour finir exploité dans différents cas de figures, allant de l'utilisation ininterrompue à courant constant (test purement utilisé en laboratoire) à un cyclage plus représentatif de conditions de fonctionnement réelles.
Fichier principal
Vignette du fichier
PhDRomain_vfinale.pdf (5.55 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)
Loading...

Dates and versions

tel-00767412 , version 1 (19-12-2012)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00767412 , version 1

Cite

Romain Coulon. Modélisation de la dégradation chimique de membranes dans les piles à combustibles à membrane électrolyte polymère. Autre [cond-mat.other]. Université de Grenoble, 2012. Français. ⟨NNT : 2012GRENY023⟩. ⟨tel-00767412⟩

Collections

CEA UGA STAR
523 View
630 Download

Share

Gmail Facebook X LinkedIn More