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Thèse Année : 2021

Behavioural analysis of PEM fuel cell components and research of causal relationships between in-situ and ex-situ observed performances

Analyse comportementale de composants de pile à combustible de type PEM et recherche d'un lien causal entre les performances observées de manière in-situ et ex-situ

Résumé

Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs) have shown their potential for both mobile and stationary applications. Assembling the PEFC stacks requires an appropriate mechanical compression in order to achieve adequate contacts (i.e. mechanical, thermal, and electrical) between the fuel cell components and to ensure gas-tight operation. However, an excessive mechanical compression may worsen the fuel cell performance as a result of the reduction in the porosity and mass transport ability of the Gas Diffusion Layers (GDLs). The work presented in this thesis aims to investigate the effects of 12 levels of mechanical compression, ranging from 0.35 to 2 MPa, on the in-situ performance of a 225 cm2 PEFC. The experimental investigations present the novelty of combining various characterisation techniques (i.e. polarisation measurement; Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS; local current/temperature and pressure distributions analysis; displacement measurement) while providing correlations with ex-situ results obtained within the MIREPOIx research project.The results show that a mechanical compression up to 1.55 MPa improves the PEFC performance at all tested operating conditions. This finding was attributed to the dominant reduction of the ohmic resistance against the increase in mass transport resistance. The results also emphasise the fact that mechanical compression up to 1.55 MPa improves the distributions of current and temperature. This effect was attributed to the enhanced pressure distribution achieved with increasing mechanical compression. The results obtained in this thesis suggest that compressing the PEFC beyond a specified level (1.55 MPa) would not lead to any further improvement of the PEFC performance. It may even worsen this performance due to the increase in the mass transport resistance. Finally, valuable correlations between the results from in-situ and ex-situ characterisation techniques are provided and analysed throughout the thesis.
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (sigle PEFC en anglais) ont déjà montré un potentiel important dans des applications mobiles et stationnaires. L’empilement des PEFCs (stack) nécessite, à l'assemblage, l’introduction d’une compression mécanique afin d'obtenir des contacts (mécaniques, thermiques, électriques) adéquats entre les composants et pour assurer une étanchéité vis-à-vis des réactifs. Cependant, une contrainte mécanique excessive peut détériorer les performances de la PEFC en réduisant notamment la porosité des couches de diffusion (GDLs) et leur capacité à transporter les espèces (réactifs et produits). Les travaux présentés dans cette thèse visent à étudier les effets d’une compression mécanique (variant de 0.35 à 2 MPa suivant 12 niveaux) sur les performances in-situ d'une PEFC à la surface active de 225 cm2. Les travaux menés présentent la particularité de combiner plusieurs techniques de caractérisation et d’analyse (courbes de polarisation et Spectroscopie d'Impédance Electrochimique - SIE ; distributions locales de courant, de température et de pression ; mesures de déplacement mécanique) tout en fournissant des corrélations avec les résultats d’essais ex-situ obtenus dans le cadre du projet de recherche MIREPOIx.Les observations réalisées ici indiquent qu'une compression mécanique allant jusqu'à 1.55 MPa améliore les performances électriques de la PEFC dans les conditions opératoires considérées. Ce résultat est attribué à la réduction dominante de la résistance ohmique par rapport à l'augmentation de la résistance au transport des espèces. Par ailleurs, l’augmentation de la compression mécanique homogénéise les répartitions des densités de courant et des températures jusqu'à 1.55 MPa. Cette homogénéisation est attribuée à une meilleure distribution de la pression mécanique obtenue avec la compression croissante. Les essais suggèrent que la compression de la PEFC au-delà d'un niveau spécifié (1.55 MPa) n'entraînerait pas d’amélioration significative des performances électriques. Elle pourrait même les détériorer en raison de l'augmentation de la résistance au transport des espèces. Enfin, des corrélations entre les résultats des techniques de caractérisation in-situ et ex-situ sont fournies et analysées tout au long de la thèse.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04055314 , version 1 (02-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04055314 , version 1

Citer

El Mahdi Khetabi. Behavioural analysis of PEM fuel cell components and research of causal relationships between in-situ and ex-situ observed performances. Other. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST044⟩. ⟨tel-04055314⟩
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