Dissertations / Theses: 'Pile à combustible à membrane échangeuse des protons'

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Nabil, Yannick. "Supports de Catalyseur Nanostructurés pour Pile à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons." Thesis, Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie, 2015. http://www.theses.fr/2015ENCM0029/document.

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Abstract:

La durabilité des piles à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) est un des verrous technologiques majeurs qui freinent leurs implantations sur le marché. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans ce contexte en proposant l’élaboration de matériaux en carbure de niobium comme support de catalyseur pour remplacer les supports carbonés actuellement utilisés dans les cathodes de PEMFC. Notre démarche est d’associer cette composition à différentes morphologies contrôlées pour développer des matériaux conducteurs, présentant une porosité adaptée et chimiquement plus stable que le carbone qui se corrode dans les conditions de fonctionnement des PEMFC. Ainsi trois voies de synthèse basées sur des techniques variées (filage électrostatique, synthèse hydrothermal avec agent structurant) ont été étudiées aboutissant à trois types de morphologie : des poudres nanostructurées, des tissus nanofibreux et des nanotubes aux parois poreuses. Après leurs caractérisations structurales et morphologiques approfondies, ces supports ont été catalysés avec des nanoparticules de platine synthétisées par une méthode polyol assisté par micro-onde. La finalité de ce projet est d’évaluer les performances électrochimiques relatives à la réaction de réduction de l’oxygène de ces supports catalysés pour mettre en avant leurs exceptionnelles stabilités comparées à un support catalysé de référence (Pt/C) sans perte significative d’activité catalytique
One pivotal issue to be overcome for the widespread adoption of Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) is the stability overtime. In this context, This PhD project focuses on the elaboration of niobium carbide based electrocatalyst supports for the PEMFC cathode to replace the conventional carbon based supports that notoriously suffer from corrosion in fuel cell operating conditions. The approach is to associate this alternative chemical composition with controlled morphologies in order to design electronically conductive and chemically stable materials with the appropriate porosity. Three different syntheses involving hydrothermal template synthesis or electrospinning have been developed leading to three different morphologies: nanostructured powders with high surface area, self-standing nanofibrous mats, and nanotubes with porous walls. These various supports have been catalysed by deposition of platinum nanoparticles synthesised by a microwave-assisted polyol method, and they have been characterised for their chemical and structural composition, morphology, and electrochemical properties. This work demonstrates that the Pt loaded NbC supports feature a greater electrochemical stability than a commercial Pt/C reference and similar electrocatalytic activities towards the oxygen reduction reaction

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Mabrouk, Walid. "Synthèse et caractérisation de nouvelles membranes protoniques : Applications en pile à combustible à membrane échangeuse de protons." Phd thesis, Conservatoire national des arts et metiers - CNAM, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00697008.

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Abstract:

La synthèse et la caractérisation de nouvelles membranes à conduction protonique, pour pile à combustible à membrane échangeuse de proton, ont été réalisées. Une étude sur des molécules modèles a permis de mieux appréhender la stabilité thermique et électrochimique du polyéthersulfone sulfoné (S-PES). Des membranes à base de polyéthersulfone sulfoné greffés à l'octylamine (S-PESOS) et des membranes mixtes à base de S-PESOS et S-PES ont été caractérisées d'un point de vue physicochimique et électrochimique. L'effet de la réticulation chimique sur les propriétés des membranes a été évalué. Les membranes réticulées présentent des bonnes propriétés mécaniques, des conductivités ioniques et une stabilité chimique suffisantes pour être utilisées dans les piles à combustible à membrane échangeuse de proton. L'étude des propriétés de transport dans ces électrolytes acides a été approfondie en corrélant des mesures thermiques avec des mesures électrochimiques, thermodynamiques et les performances en pile. Mots clés: pile à combustible à membrane échangeuse de proton, conductivité ionique, taux de sulfonation, polyéthersulfone.

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Cognard, Gwenn. "Electrocatalyseurs à base d’oxydes métalliques poreux pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAI007.

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Abstract:

Les électrocatalyseurs conventionnels utilisés dans les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont composés de nanoparticules de platine supportées sur des noirs de carbone de forte surface spécifique. A la cathode de la PEMFC, siège de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR), le potentiel électrochimique peut atteindre des valeurs élevées - notamment lors de phases arrêt-démarrage - engendrant des dégradations irréversibles du support carboné. Une solution « matériaux » consiste à remplacer ce dernier par des supports à base d’oxydes métalliques. Ceux-ci doivent être résistants à la corrosion électrochimique, conducteurs électroniques et posséder une structure poreuse et nano-architecturée (permettant le transport des réactifs et produits et une distribution homogène de l’ionomère et des nanoparticules de platine). Dans ce travail, nous avons donc élaboré et caractérisé des électrocatalyseurs à base de nanoparticules de platine (Pt) déposées sur du dioxyde d’étain (SnO₂) et de titane (TiO₂) texturés (morphologies aérogel, nanofibres ou « loosetubes ») et conducteurs électroniques (dopés au niobium Nb ou à l’antimoine Sb). Le support permettant d’atteindre les meilleures propriétés électrocatalytiques est un aérogel de SnO₂ dopé à l’antimoine, noté ATO. En particulier, l’électrocatalyseur Pt/ATO présente une activité spécifique vis-à-vis de l’ORR supérieure à celle d’un électrocatalyseur Pt/carbone Vulcan® synthétisé dans les mêmes conditions, suggérant des interactions bénéfiques entre les nanoparticules de Pt et le support oxyde métallique (Strong Metal Support Interactions, SMSI).Des tests de durabilité simulant le fonctionnement d’une PEMFC en conditions automobile ont été effectués en électrolyte liquide à 80 °C sur ces deux électrocatalyseurs : cyclage entre 0,60 et 1,00 V vs l’électrode réversible à hydrogène (RHE) ou entre 1,00 et 1,50 V vs RHE. Le catalyseur Pt/ATO présente une durabilité accrue par rapport au catalyseur Pt/carbone Vulcan® de référence. Cependant, de nouveaux mécanismes de dégradation ont été mis en évidence dans cette étude : tout d’abord, l’élément dopant Sb est progressivement dissout au cours du vieillissement électrochimique, ce qui implique une perte de conductivité électronique. Cette perte est en partie liée à des incursions à bas potentiel, notamment durant les caractérisations électrochimiques. De plus, entre 5 000 et 10 000 cycles de vieillissement électrochimique (entre 0,60 et 1,00 V vs RHE ou entre 1,00 et 1,50 V vs RHE à 57 °C), le matériau support perd sa structure poreuse et forme un film amorphe peu conducteur
Conventional electrocatalysts used in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are composed of platinum nanoparticles supported on high specific surface area carbon blacks. At the cathode side of the PEMFC, where the oxygen reduction reaction (ORR) occurs, the electrochemical potential can reach high values - especially during startup-shutdown operating conditions - resulting in irreversible degradation of the carbon support. A “material” solution consists of replacing the carbon with supports based on metal oxides. The latter have to be resistant to electrochemical corrosion, be electronic conductor and have a porous and nano-architectural structure (for the transport of reagents and products and the homogeneous distribution of the ionomer and platinum nanoparticles).In this work, we have developed and characterized electrocatalysts composed of platinum (Pt) nanoparticles based on tin dioxide (SnO2) and titanium dioxide (TiO2) with optimized textural (aerogel, nanofibres or loosetubes morphologies) and electron-conduction properties (doped with niobium Nb or antimony Sb). The best electrocatalytic properties are reached for an antimony-doped SnO2 aerogel support, denoted ATO. The Pt/ATO electrocatalyst has especially a higher specific activity for the ORR than a Pt/carbon Vulcan® electrocatalyst, synthesized in the same conditions, suggesting beneficial interactions between the Pt nanoparticles and the metal oxide support (Strong Metal Support Interactions SMSI).Durability tests simulating automotive operating conditions of a PEMFC were carried out in liquid electrolyte at 57 °C on these two electrocatalysts by cycling between 0.60 and 1.00 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE) or between 1.00 and 1.50 V vs RHE. The Pt/ATO electrocatalyst has an increased stability compared to the reference Pt/carbon Vulcan® electrocatalyst. However, new degradation mechanisms were highlighted in this study: first, the doping element (Sb) is progressively dissolved during electrochemical ageing, which implies a loss of electronic conductivity. This loss is partly due to incursions at low potential, including during electrochemical characterizations. Moreover, between 5,000 and 10,000 cycles of the accelerated stress tests (between 0.60 and 1.00 V vs RHE or between 1.00 and 1.50 V vs RHE at 57 °C), the support loses its porous structure and forms a poorly conductive amorphous film

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Mezzi, Rania. "Contrôle tolérant au vieillissement dans des systèmes pile à combustible PEMFC." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2019. http://www.theses.fr/2019UBFCD031.

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Abstract:

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d’un contrôle tolérant au vieillissement pour un système pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Afin d’atteindre cet objectif, des outils de supervision, comprenant le suivi de variables critiques, l’évaluation de l’état de santé présent et la prédiction de l’état futur sont étudiés et réalisés. L’information collectée est utilisée pour adapter la stratégie de contrôle du système. La priorité du système de supervision développé est d’assurer l’approvisionnement énergétique requis par l’utilisateur, tout en assurant une dégradation minimale de la pile à combustible. Le travail effectué consiste à déterminer les valeurs optimales de la température, des coefficients de stœchiométries de la cathode et de l’anode et du courant de pile pour fournir la puissance requise par la charge, tout en prolongeant la durée de vie de la PEMFC. La stratégie proposée permet d'éviter les dégradations réversibles et de ralentir le taux de vieillissement des composants, tout en maintenant la valeur de la tension dans une plage de fonctionnement optimale et peu dégradante. Cette plage de variation de la tension a été déterminée grâce à l’étude des mécanismes de dégradation de la PEMFC
The objective of this work is to realize an aging-tolerant control for a proton exchange membrane fuel cell system (PEMFC). In order to achieve this goal, supervision tools, including the monitoring of critical variables, the state of health evaluation and the prediction of the future state are studied and realized. The information collected are used to adapt the system control strategy. The priority of the monitoring system developed is to ensure the energy supply required by the user, while ensuring minimal degradation of the fuel cell. The work consists on determining optimal temperature values, cathode and anode stoichiometry coefficients, and fuel cell current to provide the power required by the load, while extending the lifetime of the PEMFC. The proposed strategy avoids reversible damage and slows the aging rate of the components, while maintaining the value of the voltage in an optimal and low degrading operating range. This voltage variation range was determined by studying the degradation mechanisms of PEMFC

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Dumercy, Laurent. "Contribution à la caractérisation thermique et fluidique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)." Besançon, 2004. http://www.theses.fr/2004BESA2004.

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Abstract:

L'objet de la thèse porte sur la modélisation thermique et fluidique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de proton. La gestion de la température interne de la pile influe sur ses performances, soit directement au niveau de la réaction électrochimique, soit par la détermination de ses caractéristiques internes (hydratation de la membrane, résistance à la diffusion dans les zones poreuses). La modélisation s'est effectuée suivant deux axes. D'une part, le comportement thermique a été appréhendé au niveau global. La pile est étudiée, dans son ensemble, sous la forme d'un réseau de résistances thermiques et de sources de chaleur (création de chaleur par la réaction électrochimique, échanges avec les fluides). Des conditions aux limites de Dirichlet ont été utilisées pour fixer les températures de surface. Le maillage du réseau est affiné pour modéliser la cellule centrale. Des conditions aux limites particulières sont appliquées à cette cellule afin de quantifier l'influence des autres. La cellule étudiée peut ainsi être simulée en fonctionnement adiabatique, en série ou en dissipant avec l'extérieur. D'autre part, les canaux anode et cathode ont été étudiés avec un modèle spécifique, basé sur le calcul par différences finies d'un système d'équations différentielles. Prenant en compte les principales grandeurs physiques et thermophysiques (pressions, débits, coefficients d'échange d'eau et de chaleur), il couple les grandeurs internes aux canaux et l'état thermique du système global. L'étude du changement de phase de l'eau dans les canaux, son transfert entre l'anode et la cathode et son influence sur le bilan thermique de la pile sont étudiés
The aim of this thesis is the thermal and fluidic model of a proton exchange membrane fuel cell. The management of the internal temperature of the fuel cell affect performance, in one hand directly on the electrochemical reaction, in the other hand by determination of their internal caracteristics (hydratation of the membrane, diffusion resistance in the porous area). The modelisation is made between two axis. At first, the thermal behavior is taken into account in the global form. The fuel cell is studed as a whole with a thermal resistance network et heat sources (heat supply by electrochemical reaction, exchanges with fluids). Dirichlet boundary conditions have been used to force surface temperatures. The meshing of the network is shrink for modelizing the central cell. Specific boundary conditions are applied at this cell for quantify intterference of neighboring cells. The studied cell can be used, in this case, on many situations : adiabatic, in serial or with a external flux. In addition, anode and cathode channel have been studied with a specific model, based on the compting by finites differences of a differential equations system. Taking into account the most important physical and thermophysical quantities (pressions, flow rates, water and heat exchange coefficients), it couple internal quantities off the channel et thermal state of the overall system. The studies of the pahse change of water in the channel, his transfert beetwen the anode and the cathode and his influence on the thermal balance are studed

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Zhao, Zuzhen. "Détermination des mécanismes de dégradation d'électrodes modèles de pile à combustible à membrane échangeuse de protons." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00764891.

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Abstract:

Ce travail de thèse s'est intéressé aux mécanismes de dégradation de nanoparticules de Pt supportées sur carbone utilisées pour catalyser les réactions électrochimiques dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et à leur conséquences d'un point de vue cinétique. Nous avons mis en évidence les différents mécanismes (maturation d'Ostwald 3D, corrosion du support carboné, migration/agrégation des cristallites métalliques) conduisant à une perte de surface active électrochimiquement et avons trouvé des conditions permettent d'isoler chacun de ces mécanismes. En premier lieu, nous avons montré que les nanoparticules de Pt supportées sur carbone ne sont pas immobiles mais agrègent en conditions réactionnelles notamment en présence de molécules réductrices. La vitesse de ce processus varie dans l'ordre CO > CH3OH > H2 et a été reliée à (i) la baisse du travail d'adhésion engendrée par la chimisorption de ces molécules et (ii) la réduction des groupements oxygénés présents sur le support carboné natif.Nous nous sommes également intéressés au mécanisme d'électrooxydation électrochimique du Vulcan XC72, un noir de carbone classiquement utilisé dans les couches catalytiques de PEMFC. Des mesures par spectroscopie Raman ont montré que les domaines désordonnés du Vulcan XC72 (non-graphitiques, hybridation sp3) sont corrodés de façon préférentielle dans des conditions expérimentales proches de celles d'une cathode de PEMFC. Les domaines ordonnés du support carboné (carbone graphitique, hybridation sp2) sont également corrodés, la vitesse de ce processus étant largement inférieure à ce qui est observé sur les domaines désordonnés. En conséquence, les nanoparticules de Pt se détachent ou agglomèrent comme le révèlent des expériences de microscopie électronique en transmission couplées à l'électrochimie. L'ensemble de ces mécanismes de dégradation conduit à un abaissement de la densité du nombre de particules métalliques et augmente la distance entre ces dernières. Dans le chapitre IV, nous montrons que des électrocatalyseurs Pt/Sibunit electrocatalysts possédant (i) un faible chargement massique en Pt, et (ii) de grandes distances inter-particules présentant une faible activité pour la réduction du dioxygène de l'air. Le nombre moyen d'électrons transférés par molécule de dioxygène décroît bien sous la valeur théorique de 4 lorsque l'épaisseur de la couche catalytique ou le chargement massique diminue. Nous avons relié cela à un transport et à une ré-adsorption plus difficiles des intermédiaires réactionnels notamment le péroxyde d'hydrogène. Une diminution du nombre de sites catalytiques peut également engendrer une limitation des cinétiques réactionnelles par l'adsorption de l'oxygène. Au vu de l'ensemble des résultats précédents, nous avons conclu que des cristallites de plus grande taille permettraient d'améliorer la durabilité des matériaux contenus dans les couches catalytiques de PEMFC. Des nano-fils de Pt (NWs) avec une taille moyenne de cristallite de 2,1 ± 0,2 nm ont été synthétisés. Nous avons montré que la morphologie du matériau joue un rôle conséquent à la fois en termes d'activité électrocatalytique et de durabilité : les matériaux Pt NWs/C permettent une réduction de prêt de 170 mV de la surtension d'oxydation d'une monocouche de monoxyde de carbone et possèdent une activité catalytique élevée et stable pour l'électrooxydation du méthanol. Cette dernière a été attribuée à (i) l'augmentation de la masse des cristallites de Pt résultant de l'augmentation en taille (nanoparticules à nano-fils) et (ii) une surface de contact élevée avec le support carboné. Ces matériaux possèdent un potentiel intéressant pour résoudre les problèmes de durabilité rencontrés avec les matériaux 0D utilisés de façon conventionnelle.

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Dijoux, Étienne. "Contrôle tolérant aux défauts appliqué aux systèmes pile à combustible à membrane échangeuse de protons (pemfc)." Thesis, La Réunion, 2019. http://www.theses.fr/2019LARE0008/document.

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Abstract:

La pile à combustible apparaît comme un système performant pour produire de l’électricité « verte » à partir de l’hydrogène dès lors que celui-ci est produit à partir de sources d’énergie renouvelables. Les avantages et la maturité de la technologie à membrane polymère font des PEMFC des candidates prometteuses. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et technologiques limitent encore leur utilisation à grande échelle, en particulier leur coût, leur fiabilité et leur durée de vie. L’amélioration de ces caractéristiques passe par la mise en place d’outils de supervision, de détection de défauts et de contrôle des systèmes pile à combustible (PàC). Le travail de recherche est le fruit d’une collaboration entre le FC LAB de l’Université de Bourgogne Franche Comté et le LE2P de l’Université de La Réunion. Ce sujet de thèse s’inscrit dans la continuité des travaux menés au laboratoire FC LAB, portant en particulier sur le diagnostic et le pronostic de systèmes PàC, et des travaux menés au laboratoire LE2P, portant sur le test en ligne d’algorithmes de commande de PEMFC. Parmi les méthodes développées pour déployer la sureté de fonctionnement à un système physique, on retrouve les techniques de tolérance aux défauts, conçues pour maintenir la stabilité du système ainsi que des performances acceptables, même en présence de défauts. Ces techniques se décomposent généralement en trois phases : la détection d’erreurs ou de défaillances, l’identification des défauts à l’origine des problèmes, et l’atténuation. La littérature fait état d’un grand nombre d’outils de diagnostic et d’algorithmes de contrôle, mais l’association du diagnostic et du contrôle reste marginale. L’objectif de ce travail de thèse est donc le test en ligne de différentes stratégies de commande tolérante aux défauts, permettant de maintenir la stabilité du système et des performances acceptables même en présence de défauts
Fuel cells (FC) are powerful systems for electricity production. They have a good efficiency and do not generate greenhouse gases. This technology involves a lot of scientific fields, which leads to the appearance of strongly inter-dependent parameters. It makes the system particularly hard to control and increase the fault’s occurrence frequency. These two issues underline the necessity to maintain the expected system performance, even in faulty condition. It is a so-called “fault tolerant control” (FTC). The present paper aims to describe the state of the art of FTC applied to the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The FTC approach is composed of two parts. First, a diagnostic part allows the identification and the isolation of a fault. It requires a good a priori knowledge of all the possible faults in the system. Then, a control part, where an optimal control strategy is needed to find the best operating point or to recover the fault

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Otmani, Nassim. "Détermination des contraintes mécaniques dans les membranes Nafion® au cours du fonctionnement en pile à combustible." Grenoble INPG, 2009. http://www.theses.fr/2009INPG0117.

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Abstract:

La durabilité des piles à combustible de type PEMFC n’est pas suffisante pour être compatible avec les applications visées. Cette thèse propose de déterminer les contraintes mécaniques subies par les membranes Nafion® dans la PEMFC. Dans un premier temps, les propriétés élastoplastiques ont été mesurées sur la gamme de températures et d’humidités relatives de fonctionnement de la pile. Dans ces mêmes conditions, le gonflement de la membrane a aussi été examiné. Un lien entre structure, quantité d’eau et contraintes mécaniques du Nafion® a pu être mis en évidence. Ces propriétés ont ensuite été incorporées dans un modèle construit pour décrire le comportement mécanique de la PEMFC. Après avoir été validé expérimentalement, ce modèle a été utilisé pour simuler des chargements hygrothermiques représentatifs du fonctionnement réel de la PEMFC. Une étude paramétrique a permis d’émettre des recommandations sur les pratiques à adopter pour minimiser les contraintes dans la membrane
The durability of proton exchange membrane fuel cells is still not sufficient to be compatible with large-scale applications. The work of this PhD aims at determining the mechanical streses endured by the Nafion® membranes during the PEMFC operation. The elastoplastic properties of Nafion® have been measured in the PEMFC hygrothermal conditions, thanks to tensile tests. In the same conditions, the swelling has been investigated. A link between structure, water content, swelling and mechanical stresses has also highlighted. These properties have then been incorporated in a model built to describe the PEMFC mechanical behaviour. After an experimental validation, this model has been used to simulate hygrothermal loadings representative of the real-life PEMFC operation. A parametric study has given the possibility to advocate some technical advises in order to minimize the mechanical stresses within the membrane

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Karst, Nicolas. "Gestion de l'eau dans les micropiles à combustible." Phd thesis, Grenoble INPG, 2009. http://www.theses.fr/2009INPG0030.

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Abstract:

Les piles à combustible, dont l'efficacité énergétique est potentiellement supérieure à celle des meilleures batteries Li-ion actuellement proposées sur le marché, laissent entrevoir des autonomies considérables pour les appareils nomades. Un des objectifs à atteindre pour leur commercialisation est la gestion de l'eau. Le travail de cette thèse s'intègre dans cette problématique. Il a pour but premier d'étudier l'influence de différents paramètres aussi bien environnementaux (température, humidité relative,. . . ) que structuraux (épaisseur du collecteur cathodique, couche de diffusion à la cathode, packaging,. . . ) sur la gestion de l'eau afin de proposer des solutions permettant de gérer l'assèchement ainsi que le noyage d'une micropile à combustible. Une des particularités des micropiles étudiées ici est qu'il s'agit de pile dite à respiration, c'est-à-dire utilisant directement l'oxygène de l'air comme comburant. Il ressort de cette étude que ces micropiles à combustible sont extrêmement sensibles aux conditions environnementales et que si des performances optimales sont attendues sur une large gamme de température et d'humidité relative, une gestion totalement passive de l'eau sera insuffisante. A l'issue des différents résultats obtenus au cours de cette thèse, des perspectives sont avancées, et un premier prototype composé de neuf micropiles à combustible avec une gestion active de l'eau a été réalisé
The fuel cell, whose energy efficiency is potentially higher than that of the best Li-ion batteries currently proposed on the market, shows the possibility for considerable autonomies for wandering apparatuses. One of the main objectives to be reached for their marketing is the water management. This work aims at understanding and resolving this issue. We carried out studies on the influences of various environmental parameters (temperature, relative humidity,. . . ) as well structural factors (thickness of the cathodic collector, addition of a diffusion layer at cathode, packaging,. . . ) on water management. We propose solutions allowing management of both drying and flooding of micro fuel cells. One of the characteristics of the micro fuel cell studied here is that it is an air-breathing device using directly oxygen from air as combustive. It comes out from this study that these micro fuel cells are extremely sensitive to environmental conditions. In order to obtain optimal performances on a broad range of temperature and relative humidity, a completely passive water management will be insufficient. Thanks to the various results obtained during this work, a first prototype made up of nine micro fuel cells with an active water management is presented

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Bressel, Mathieu. "Modélisation raphique pour le pronostic robuste de pile à combustible à membrane échangeuse de proton." Thesis, Lille 1, 2016. http://www.theses.fr/2016LIL10119/document.

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Abstract:

La pile à combustible (PàC) est actuellement la solution alternative aux énergies fossiles la plus prometteuse. Il convient cependant d’améliorer sa fiabilité. Cela nécessite la mise en place d’algorithmes capables d’estimer en temps réel l´état de santé de son fonctionnement et de prédire sa durée de vie résiduelle. Les méthodes de pronostic basées sur un modèle physique offrent des résultats précis car ne nécessitent ni apprentissage de modes de fonctionnement ni expertise de l’opérateur. Toutefois, la problématique pour un système PàC réside dans le couplage de plusieurs phénomènes physique, l’incertitude des paramètres du modèle et la faible instrumentation du cœur de pile. Ainsi, nous utilisons des modèles incertains basés sur l’outil Bond Graph bien adapté pour la PàC. Concrètement, les incertitudes sont intégrées au modèle d´évolution des puissances qui est utilisé pour la détection du vieillissement et l’estimation de la dégradation de la PàC. Un modèle de dégradation est utilisé par un filtre de Kalman étendu pour l’estimation de l’état de santé, de la dynamique du vieillissement et permet de quantifier l’incertitude pour toute condition opératoire. Un algorithme Inverse First Order Reliability Method permet ensuite la prédiction de la durée de vie résiduelle et de l’incertitude de prédiction inhérente. La méthode globale a été validée sur différents jeux de données expérimentales. Grâce à l’ensemble de ces outils, un contrôle par inversion de modèle REM (Représentation Energétique Macroscopique) à paramètres variant, robuste au vieillissement a été développé en se basant sur l’estimation de l’état de santé
The fuel cell (FC) is at present the alternative solution to the fossil fuels the most promising. It is however advisable to improve its reliability. This requires the implementation of algorithms capable of estimating in real time the state of health and forecasting its remaining useful life (prognostics). The methods of prognostics based on a physical model offer precise results once they do not requiring either learning or expertise of the operator. However, the problem for a FC system lies in the coupling of several physical phenomena, the uncertainty of the parameters of the model and the low instrumentation of the FC stack.Thus, we use uncertain models based on the Bond Graph tool well adapted for the FC. Concretely, the parameters uncertainties are integrated in the model of evolution of the powers which is used for the detection of the beginning of the aging and the estimation of the degradation of the FC based on the causal and structural properties of the model. The generated model of degradation is used by an extended Kalman filter which allows the estimation of the state of health , the dynamics of the aging and the quantification of the uncertainty for any operating condition (of temperature, current and pressure). An Inverse First Order Reliability Method is then used for the prediction of the remaining useful life and the inherent uncertainty. The global method was validated on various sets of experimental data. Thanks to this set of tools, a control based on the inversion of an Energetic Macroscopic Representation (EMR) model with time varying parameters, robust to aging is developed based on the state of health estimation

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Bultel, Yann. "Modélisation des couches actives d'électrodes volumiques de piles à combustible à membrane échangeuse de protons." Grenoble INPG, 1997. http://www.theses.fr/1997INPG0054.

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Abstract:

Ce travail est focalise sur la modelisation des transports de matiere, de charge et de chaleur dans les couches actives des electrodes volumiques de piles a combustible a membrane echangeuse de protons (p. E. M. F. C). Un premier temps decrit la structure des piles a combustible et les processus physico-chimiques aux electrodes sont decrits. Une analyse des modeles classiques rencontres dans la litterature montre qu'ils supposent tous que l'electrocatalyseur est uniformement reparti sur un plan ou en volume. Dans un deuxieme temps, la modelisation des phenomenes de transport de matiere et de charge a ete menee en utilisant un logiciel de calcul numerique (flux-expert#) mettant en oeuvre la methode des elements finis et qui permet de prendre en compte la repartition discrete du catalyseur en nano-particules. Les simulations ont mis en evidence les limitations du taux d'utilisation du catalyseur par la diffusion et la chute ohmique ionique non seulement a l'echelle de la couche d'electrolyte mais aussi a celle des particules. Afin d'ameliorer la modelisation des piles a combustible a membrane echangeuses de protons, les modeles classiques ont ete modifies afin de les rendre capables de prendre en compte ces contributions locales ; ils ne requierent que des methodes numeriques simples telle que celle des differences finies. Appliques a la reduction de l'oxygene a la cathode ou a l'oxydation de l'hydrogene a l'anode, ces modeles permettent de determiner les parametres cinetiques (densites de courant d'echanges et pentes des droites de tafel) corrigees de la diffusion dans la couche active. Une modelisation des transferts thermiques a l'echelle des couches actives est ensuite proposee. Le modele prend en compte les echanges de chaleur convectifs entre les phases solides et le gaz, le transport d'eau par electro-osmose, la creation de chaleur par effet joule et par les reactions electrochimiques. Enfin, le dernier chapitre presente une etude des mecanismes reactionnels dans le cas des electrodes poreuses par la methode des impedances. Des modeles analytiques et numeriques ont ete developpes pour calculer les impedances d'electrode et sont appliques a l'etude de la reduction de l'oxygene et d'oxydation de l'hydrogene.

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Rambaud, Frédéric. "Elaboration de matériaux hybrides par procédé sol-gel pour application pile à combustible PEMFC." Paris 6, 2011. http://www.theses.fr/2011PA066046.

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Abstract:

Des membranes hybrides composées de polymère organique non conducteur protonique et d’une charge minérale conductrice sont élaborées en vue d’une application PEMFC dans le but d’augmenter la température de fonctionnement de la pile. Cette élévation de la température est rendue nécessaire pour accroître la durée de vie des électrodes et gagner ainsi en efficacité. Le concept original, développé dans cette étude, est l’emploi d’une composante inorganique mésoporeuse hybride, anisotrope et dispersable dans une phase organique. La silice est un matériau connu pour son caractère hygroscopique. De plus sa facilité de fonctionnalisation surfacique permet de lui conférer des propriétés intéressantes. La première étape de ce travail à consister en l’élaboration contrôlé de nanocharges présentant un facteur de forme supérieur à 8 et une grande surface spécifique. Les nanofibres obtenues permettent de facilité la conduction protonique au sein du polymère, par la création de chemins de conductions préférentielles des protons au travers de la membrane. Le transport de ces espèces est réalisé par l’incorporation de groupements sulfoniques à la surface de la porosité des fibres. La mobilité protonique étant assurée par le nombre de sites actifs, une post-hybridation a été nécessaire, afin d’apporter un complément de fonction conductrice de protons aux nanofibres hybridées lors de leur formation. Deux voies de post-incorporations ont été optimisées, conférant à l’électrolyte une conduction protonique équivalente au Nafion® après contrôle du procédé de mise en forme
Hybrid membranes composed of a non-conductive protonic organic polymer with an inorganic conductive particles were produced for a PEMFC application with the objective of increasing the operating temperature. In order to lengthen the life expectancy of the electrodes and to improve its effectiveness, we need to increase the operating temperature. The original concept of this study employed the use of an anisotrope functionalized inorganic mesoporous componant dispersed into an organic phase. Silica is a material known for its hygroscopic characteristics. Additionally, silica has an easily modifiable surface, which brings interesting properties to electrolyte application. The first step of this study consisted of morphological control of the hybrid charge with a shape factor higher than 8 and with a large specific surface structure. The obtained nanofibers induced the protonic conduction into the polymer by forming preferential conduction paths of protons through the membrane. The movement of these cations was performed by incorporating sulfonic groups onto the porous surface of the fibers. The protonic motion was dependent on the number of active sites. A post-hybridation was necessary to increase the performance of the hybrid nanofibers. Two manners of post-incorporation and processes were studied and improved, which gave a protonic conduction equivalent to Nafion®

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Gloaguen, Frédéric. "Piles à combustible à membrane échangeuse de protons : contribution à l'étude de la cathode à oxygène." Grenoble INPG, 1994. http://www.theses.fr/1994INPG0105.

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Abstract:

Le but de ce travail est de minimiser la quantite de platine dans les cathodes a oxygene des piles a combustible envisagees pour les vehicules electriques. La premiere partie de ce memoire comprend une etude bibliographique des piles a combustible a membrane echangeuse de protons (pemfc), ainsi qu'une presentation des principaux resultats concernant la reduction electrochimique de l'oxygene sur platine massif et disperse. Differents modeles, decrivant le fonctionnement des couches actives des electrodes de piles a combustible, sont ensuite etudies. Des applications numeriques au cas de la cathode a oxygene des pemfc permettent de definir les geometries internes des couches actives pour lesquelles l'utilisation du catalyseur est maximale. En utilisant ces modeles, la mise au point d'un protocole de test des proprietes des particules de catalyseur autorise une etude de l'influence de la taille des particules sur l'activite du platine vis a vis de la reduction de l'oxygene. Il est ainsi observe que l'activite massique du platine passe par un maximum pour des tailles de particules comprises entre trois et quatre nanometres. L'interpretation des resultats electrochimiques s'appuie, en partie, sur une experience d'absorption x in situ. Enfin la derniere partie de ce memoire decrit des methodes de preparation de particules de catalyseur par reduction electrochimique de differents complexes du platine

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Ferrandez, Anne-Claire. "Synthèse et caractérisation des nouvelles architectures catalytiques pour une application en pile à combustible du type PEMFC." Poitiers, 2011. http://nuxeo.edel.univ-poitiers.fr/nuxeo/site/esupversions/1cb2c4a4-6d5f-47d5-b0a0-5d40f245abd4.

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Abstract:

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de développement de nouvelles couches catalytiques pour les piles à combustible du type PEMFC, basée sur la transposition de la phénoménologie du point triple à l'échelle moléculaire. Les travaux portent sur le greffage de polymères conducteurs protoniques à la surface de nanoparticules de platine afin d'obtenir des complexes catalytiques hybrides (organique/inorganique). Les matériaux ont été obtenus par deux méthodes de greffage du polystyrène sulfonate de sodium. La première méthode est la voie dite "grafting from". Elle consiste à polymériser le styrène sulfonate de sodium à partir de l'amorceur présent à la surface des nanoparticules de platine qui est greffé soit par "post greffage", soit par "greffage in situ". La seconde méthode appelée "grafting onto", quant à elle, consiste à synthétiser le polystyrène sulfonate de sodium en phase homogène puis de le condenser à la surface des nanoparticules de platine soit par "post greffage", soit par "greffage in situ" pendant les synthèses microémulsion "water in oil" et "instant method". La variation des paramètres de synthèse a permis de constituer une gamme de matériaux présentant une variété de densité de greffage à la surface des nanoparticules de platine. C'est sous la forme acide du polymère que s'opère la conduction protonique. Un traitement acide des matériaux a permis d'obtenir le polystyrène sulfonique (SO3H) à la surface des nanoparticules de platine. Les caractérisations électrochimiques réalisées dans deux milieux (support et oxydant) avec différentes électrodes de travail ont permis d'apporter de nombreuses informations sur la structure, l'activité et la sélectivité des complexes catalytiques hybrides
This thesis is within the scope of new catalytic layers development for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) based on the transposition of the phenomenology of the three-phase boundary at the molecular scale. The fieldwork concerns the working out of hybrid organic/inorganic catalyst by grafting proton conducting polymers (PSS). Both methods have been developed to introduce the polymer on the platinum nanoparticles. The first method consists of using the "grafting from" technique and controlled radical polymerization (Atom Transfer Radical Polymerization). The second grafting method used is the "grafting onto" technique. It consists first in synthesizing the polymer and second in grafting by reaction of the functions of the latter with platinum nanoparticles. Modifications of synthesis parameters allowed constituting a collection of objects showing a wide range of grafting density. Electrochemical characterizations have brought numerous information on the structure, activity and selectivity of hybrid catalytic complex

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Massonnat, Pierre. "Développement d'un modèle multi physique multidimensionnel de pile à combustible à membrane échangeuse de proton en temps réel pour système embarqué." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2015. http://www.theses.fr/2015BELF0268/document.

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Abstract:

La pile à combustible est un générateur électrique qui s'appuie sur un effet électrochimique découvert au 19èmesiècle par Christian Schönbein. Cette technologie a connu des périodes de développement et de désintéressementsuccessives jusqu'à nos jours. Suite à une flambé du prix du baril de pétrole et à la sensibilisation des populationsaux problèmes environnementaux engendrés par les rejets de gaz à effet de serre, la quantité annuelle depublications sur la pile à combustible a augmenté d'une manière continue. Son rendement, souvent supérieur àcelui des technologies de production d'énergie par combustion, et la possibilité d'utiliser des carburants non fossileset non polluants en font un candidat de substitution attractif. Cependant, son cout, sa durée de vie, sa puissancemassique et d'autres problèmes liés au stockage de son carburant ne lui permet pas de détrôner les technologiesactuelles qui sont bien rodées et qui profitent d'une économie d'échelle. Il faut donc continuer à améliorer la pile àcombustible pour qu'elle devienne un jour économiquement viable.L'une des voies pour atteindre cet objectif, est la modélisation qui permet une réflexion, une meilleurecompréhension de la pile à combustible, ainsi que la possibilité de tester des idées à moindre cout.Malheureusement, la pile à combustible est un système complexe combinant des phénomènes fluidique, thermiqueet électrochimique. Des modèles en 1 dimension et en temps réels ont déjà été développés. Mais pour étudiercorrectement ce qui se passe à l'intérieur, il faut au moins disposer d'un modèle en 2 dimensions. Cependant lesmodèles en 2 dimensions demandent des méthodes de calcul par éléments finis qui nécessitent des ressources decalcul importantes, ainsi, jusqu'ici, ils ne permettaient pas de réaliser des calculs en temps réel. C'est pourtant ledéfi relevé par cette thèse : développer un modèle en deux dimensions ou plus et être capable de le faire tourner entemps réel sur un ordinateur comme sur un processeur embarqué.Pour arriver à cette performance, les concepts physiques, mathématiques et informatiques ont été combinés etintégrés grâce à des astuces organisationnelles en un programme en langage C, peu gourmand en mémoire et enpuissance de calculs. Toutes les hypothèses simplificatrices et les méthodes mathématiques modifiées etimplantées selon des schémas informatiques peu communément utilisés dans ce domaine ont fait apparaitre denouveaux problèmes. Des nouvelles méthodes de calculs ont dû alors être développées pour gérer ces nouveauxproblèmes.Finalement, un modèle de pile à combustible multidimensionnel et temps réel a été conçu et ses paramètresphysiques ont été ajustés par un programme pour faire correspondre les résultats à ceux d'une pile à combustibleréelle sur laquelle des essais ont été réalisés. Les résultats obtenus ont été analysés à l'aide d'un procédéd'observation structuré. Le résultat de ces observations a permis d'arriver à des conclusions dans le domaine de lamodélisation multidimensionnelle et multiphysique de la pile à combustible pour des applications en temps réel
The fuel cell is an electric generator which uses an electrochemical effect discovered in 18 century by ChristianSchönbein. This technology has gotten successively periods of development and periods of void in the pastdecades. After the petrol barrel price rising and the people¿s awareness of environmental problem such asgreenhouse effect, the research in fuel cell field has been increasing constantly. Its higher efficiency compared tothermal technology to produce electricity, the possibility to use no fossil fuel and no pollution final products make thefuel cell an attractive substitution candidate for energy production. However, its cost, life time, power density andother problems related to the fuel storage do not allow it to replace immediately the actual technology which is elderand benefit about scale economy effect. Thus, the fuel cell technology must be improved to become economicallyviable.One of the ways to do it, is to model the fuel cell in order to reflect, analyze and better understand its behavior with aminimal cost. Unfortunately, the fuel cell is a complex system which combines fluidic, thermic and electrochemicaleffects. In literature, many one dimensional real time models have been developed. But to analyze and predict localphenomena, a 2 dimensional model is needed. However, the general two dimensional models use finite elementcalculation methods that cannot be done in real time due to their complex mathematical calculation. In spirit toovercome this calculation complexity problem, the challenge of this thesis is defined: develop a 2 dimensional modelwho are able to be executed in real time on an ordinary computer or an embedded system.In order to achieve the desired real time performance, the physical, mathematical and computer concepts of realtime 2D fuel cell model are developed, combined and integrated with specific organization methods in a C languageprogram which does not requires an important calculation power or memory to run. All the modeling assumptionsand the modified mathematic methods are implanted following an innovative modeling approach.Finally, a 2D, multiphysique, multidimensional real time fuel cell model is developed and its parameters are adjustedwith a real fuel cell stack from different experiments. The results are then analyzed with a structured observationmethod with conclusions given at last

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Danerol, Anne-Sophie. "Etude des mécanismes de vieillissement des assemblages membrane/électrodes utilisés comme coeurs de pile à combustible." Chambéry, 2008. http://www.theses.fr/2008CHAMS050.

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Abstract:

L'un des éléments clés d'une pile à membrane échangeuse de protons (PEWFC) est l'assemblage membrane électrodes (AME). Cette structure multicouche comporte une membrane perfluorosulfonée de type Nafion®, recouverte sur les deux faces par des couches actives, et des couches de diffusion de gaz. Les électrodes sont constituées de nanoparticules de platine dispersées sur du carbone poreux et d'oligomères de nature similaire à l'électrolyte, jouant le rôle d'agent liant. Diverses techniques de caractérisation ont été utilisées afin d'extraire des «marqueurs physico- chimiques » de vieillissement en conditions réelles d'utilisation de la pile. En premier lieu, les analyses macroscopiques par spectroscopie d'impédance électrochimique se sont avérées insatisfaisantes pour le suivi du vieillissement in situ ou la détection de trous dans l'AME. Ainsi, une nouvelle méthode de diagnostic non invasive, appelée « mesure de relaxation », basée sur le comportement supercapacitif des AME a été développée. Dans un deuxième temps, nous nous sommes focalisés sur la dégradation des électrodes. En plus des techniques de caractérisation classiquement utilisées (MEB, MET, DRX), de nouvelles méthodes ont été employées. Ainsi, des analyses thermogravimétriques ont révélé des changements dans le comportement thermique, attribués à des modifications chimiques de l'agent liant au cours du vieillissement en pile. Par ailleurs, des essais de pelage ont permis d'observer une amélioration de l'adhésion entre la membrane et l'électrode avec le vieillissement, suggérant une diffusion I cristallisation des espèces de l'agent liant, principalement près de l'interface. Finalement, les caractérisations chimique, thermique et microstructurale de l'électrolyte ont révélé des modifications dans la structure chimique du polymère. Une diminution drastique de la mobilité des chaines a pu être associée à un phénomène de réticulation ionique, trouvant son origine dans la contamination cationique de la membrane au cours du fonctionnement de la pile. En conclusion, bien que les premiers signes de vieillissement paraissent se manifester au sein des électrodes, la durée de vie du système semble principalement liée à la dégradation de la membrane
One of the key components in the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is the membrane / electrode assembly (MEA). Such MEA is a multilayered structure based on perfluorosulfonic acid polymer membrane as Nafion®, coated on both sides by active layers, and covered by gas diffusion layers. The electrodes are constituted of porous carbon supported nanosized Pt catalyst, with an oligomer-binding agent similar in nature to the polymer electrolyte. A large series of scouting characterization techniques was used in order to point out pertinent 'ageing markers' related to stationary life test conditions. First, macroscopic investigations were performed with the help of the common Electrochemical Impedance Spectroscopy technique that appeared inadequate to characterize in situ ageing or to detect pinholes. Thus, a new global non-destructive diagnosis tool, called 'the relaxation technique', based on the super capacitor behaviour of MEAs, was developed. In a second step, we focused on the active layers degradation mechanisms. In addition to standard techniques (SEM, TEM, XRD), new methods were employed. Thereby, thermogravimetric analyses revealed changes in thermal stability behaviour of the electrodes upon ageing, attributed to chemical modifications of the oligomer-binding agent. In addition, peel tests pointed out an improvement of the electrode-membrane adhesion with increasing ageing time, suggesting a diffusion / crystallization of the binding agent species mainly near the interface. Eventually, chemical, thermal and microstructural characterizations of the electrolyte revealed changes in the chemical structure upon ageing. A drastic decrease in the chain mobility was then assigned to ionic crosslinking related to some cationic contamination of the membrane during fuel cell operation. In conclusion, although the active layers are first prone to degradation, it seems that the lifetime of the system is mainly related to the degradation of the membrane

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M'Batna, Jean Paul. "Contribution à la modélisation tridimensionnelle du comportement termo fluidique d'une cellule de pile à combustible à membrane échangeuse de protons." Phd thesis, Université de Technologie de Belfort-Montbeliard, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00601707.

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Abstract:

Les systèmes piles à combustible sont intégrés dans un ensemble d'auxiliaires qui présentent des contraintes au fonctionnement de ceux-ci. Afin d'envisager un bon fonctionnement, il faut arriver à mieux contrôler ces auxiliaires en éliminant le maximum possible ces contraintes. La modélisation est de plus en plus envisagée pour y apporter une réponse. parmi ces différents types de modélisations, il y a celle qui consiste à traiter le problème de la gestion de l'eau, principale cause de noyage de sites réactionnels ds électrodes de piles. Une telle approche ne peut se faire sans difficulté car elle nécessite le couplage de plusieurs équations. Par utilisation d'un code CFD FLUENT, nous abordons dans une configuration réelle un type de modèle pouvant nous permettre d'apporter une réponse au problème posé par l'état hybride de la cellule. Cela consiste en la détermination de certains paramètres de transfert au coeur de la pile comme la température de la cellule, l'humidité relative, les pressions partielles ainsi que les débits molaires des constituants.

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M'batna, Jean-Paul. "Contribution à la modélisation tridimensionnelle du comportement termo fluidique d'une cellule de pile à combustible à membrane échangeuse de protons." Belfort-Montbéliard, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/60/17/07/PDF/M_BATNA_THESE_UTBM.pdf.

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Abstract:

Les systèmes piles à combustible sont intégrés dans un ensemble d'auxiliaires qui présentent des contraintes au fonctionnement de ceux-ci. Afin d'envisager un bon fonctionnement, il faut arriver à mieux contrôler ces auxiliaires en éliminant le maximum possible ces contraintes. La modélisation est de plus en plus envisagée pour y apporter une réponse. Parmi ces différents types de modélisations, il y a celle qui consiste à traiter le problème de la gestion de l'eau, principale cause de noyage de sites réactionnels ds électrodes de piles. Une telle approche ne peut se faire sans difficulté car elle nécessite le couplage de plusieurs équations. Par utilisation d'un code CFD FLUENT, nous abordons dans une configuration réelle un type de modèle pouvant nous permettre d'apporter une réponse au problème posé par l'état hybride de la cellule. Cela consiste en la détermination de certains paramètres de transfert au coeur de la pile comme la température de la cellule, l'humidité relative, les pressions partielles ainsi que les débits molaires des constituants
The fuel cell systems are integrated into a set of auxiliary constraints that are operating them. To consider a good performance, it is necessary to better control these aids in eliminating the maximum such constraints. Modeling is increasingly considered to provide an answer. Among these different types of models, there is that which is to treat the problem of water management, the main cause of flooding of sites reactive electrodes batteries. Such an approach can not be done without difficulty because it requires the coupling of several equations. By using a CFD code FLUENT, we deal in a real configuration of a type of model that can enable us to provide an answer to the problem of water status of the cell. This consists of determining some parameters of transfer at he heart of the battery as the cell temperature, relative humidity, partial pressures and the molar flow components

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Wu, Yiming. "Long term performance prediction of proton exchange membrane fuel cells using machine learning method." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2016. http://www.theses.fr/2016BELF0308/document.

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Abstract:

Les questions environnementales, en particulier le réchauffement de la planète en raison de l'effet de serre, estdevenu de plus en plus critique au cours des dernières décennies. Candidate potentielle parmi les différentessolutions alternatives d'énergie verte pour le développement durable, la pile à combustible à membrane échangeusede protons (PEMFC en anglais) a fait l'objet de nombreux travaux de recherche, dans les domaines de l'énergie etdes transports. Les PEMFC peuvent produire de l'électricité directement à partir de la réaction électrochimique entrel'hydrogène et l'oxygène de l'air, avec comme seul sous-produits de l'eau et de la chaleur. Si l'hydrogène est produità partir de sources d'énergie renouvelables, cette conversion de l'énergie est complètement écologique.Cependant, la durée de vie relativement courte des PEMFC fonctionnant dans des conditions dynamiques (pour lesvéhicules, par exemple) empêche son utilisation massive. La prévision précise de leurs mécanismes devieillissement peut ainsi aider à concevoir des modèles de maintenance appropriés des PEMFC en fournissant desinformations prévisibles sur la dégradation des performances. De plus, la prédiction pourrait également contribuer àatténuer la dégradation indésirable des systèmes PEMFC en cours d'exploitation. Ces travaux proposent unenouvelle approche guidée par les données pour prédire la dégradation des performances des PEMFC en utilisantune méthode d'apprentissage améliorée (Relevance Vector Machine : RVM).Tout d'abord, la description théorique des PEMFC en fonctionnement est présentée. Ensuite, une illustrationdétaillée de l'impact des conditions opérationnelles sur la performance des PEMFC est exposée, ainsi que desmécanismes de dégradation de chaque composant des PEMFC.Une méthode de prédiction de performance en utilisant la RVM améliorée est ensuite proposée et démontrée. Lesrésultats de prédiction basés sur des zones d'apprentissage différentes à partir des données historiques sontégalement discutés et comparés avec les résultats de prédiction utilisant les machines à vecteurs de support(Support Vector Machine : SVM).En outre, une méthode de prédiction RVM à noyau auto-adaptatif (Self-Adaptive Kernel) est présentée. La matricede conception de la formation du RVM est également modifiée afin d'acquérir une plus grande précision lors de laprédiction. Les résultats de la prévision sont illustrés et discutés en détails.En résumé, ces travaux permettent de discuter principalement de l'analyse de la prédiction de la performance desPEMFC en utilisant des méthodes d'apprentissage statistique
The environmental issues, especially the global warming due to greenhouse effect, has become more and morecritical in recent decades. As one potential candidate among different alternative "green energy" solutions forsustainable development, the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been received extensiveresearch attention since many years for energy and transportation applications. The PEMFC stacks, can produceelectricity directly from electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air, with the only by-productsof water and heat. If the hydrogen is produced from renewable energy sources, this energy conversion is 100% ecofriendly.However, the relatively short lifespan of PEMFCs operating under non-steady-state conditions (for vehicles forexample) impedes its massive use. The accurate prediction of their aging mechanisms can thus help to designproper maintenance patterns of PEMFCs by providing foreseeable performance degradation information. In addition,the prediction could also help to avoid or mitigate the unwanted degradation of PEMFC systems during operation.This thesis proposes a novel data driven approach to predict the performance degradation of the PEMFC using animproved relevance vector machine method.Firstly, the theoretical description of the PEMFC during operation will be presented followed by an extensivelydetailed illustration on impacts of operational conditions on PEMFC performance, along with the degradationmechanisms on each component of PEMFC. Moreover, different approaches of PEMFC performance prediction inthe literature will also be briefly introduced.Further, a performance prediction method using an improved Relevance Vector Machine (RVM) would be proposedand demonstrated. The prediction results based on different training zones from historical data will also bediscussed and compared with the prediction results using conventional Support Vector Machine (SVM).Moreover, a self-adaptive kernel RVM prediction method will be introduced. At the meantime, the design matrix ofthe RVM training will also be modified in order to acquire higher precision during prediction. The prediction resultswill be illustrated and discussed thoroughly in the end.In summary, this dissertation mainly discusses the analysis of the PEMFC performance prediction using advancedmachine learning methods

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Sutor, Anna. "Étude des relations entre les performances électrochimiques des membranes ionomères pour piles à combustible et leur état d'hydratation : apport des spectroscopies vibrationnelles in situ." Thesis, Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie, 2013. http://www.theses.fr/2013ENCM0012.

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Abstract:

L'état d'hydratation des électrolytes polymères pour piles à combustibles de type PEMFC et donc, la conductivité protonique de ce type d'électrolytes, est le point crucial pour comprendre et expliquer les performances électrochimiques de ce type de système. Le fonctionnement de la pile (création, absorption, diffusion, migration et désorption d'eau) conduit à une forte hétérogénéité de l'état d'hydratation du matériau polymère et donc de sa conductivité.La conductivité protonique des membranes actuellement utilisées comme électrolyte est le fait de la structure du matériau, des mécanismes de diffusion de l'eau et du proton, et des interactions eau-polymère au sein de la membrane. Nous nous sommes intéressés à ces problèmes et avons étudié les mécanismes d'hydratation et de diffusion par les techniques de spectroscopies vibrationnelles Infra-Rouge et Raman.Ce travail démontrera, entre autres, l'apport particulièrement intéressant des spectroscopies vibrationnelles in-situ pour la résolution de la problématique de la distribution de l'eau au sein de la membrane et son influence sur les performances de la pile. Nous proposons ici une étude de deux polymères perfluorosulfonés, le Nafion et l'Aquivion.Les propriétés d'absorption d'eau, de diffusion d'eau et de transport du proton dans ces deux membranes sont étudiées dans diverses conditions d'hydratation : dans les conditions d'équilibre, sous gradient d'activité chimique de l'eau (mesure in situ) et sous l'effet d'un champ électrique (mesure in situ et operando dans une pile en fonctionnement). La spectroscopie Infra-Rouge est utilisée pour étudier les changements structuraux des polymères ainsi que l'état de confinement de l'eau au cours de l'hydratation des membranes soumises à différentes valeurs de pression partielle d'eau et de température. Elle permet également d'étudier les interactions entre l'eau et les différents groupements chimiques présents dans la structure du polymère. L'ensemble des résultats est utilisé pour proposer des mécanismes d'absorption de l'eau ainsi que de dissociation des groupements acides de la membrane. La micro-spectroscopie Raman confocale, grâce à sa résolution spatiale micrométrique, permet de sonder l'épaisseur de la membrane et de déterminer le gradient d'eau transverse. Une cellule micro-fluidique a été développée pour l'étude des phénomènes de transport diffusif. Cette technique est actuellement la seule permettant de calculer les coefficients de diffusion équivalente à partir des gradients de concentration d'eau interne.Une pile à combustible spécialement adaptée aux mesures Raman, nous a permis, pour la première fois avec cette technique, de déterminer la distribution de l'eau à travers l'épaisseur de la membrane dans le système électrochimique en fonctionnement. Les informations ainsi obtenues sont des données primordiales pour comprendre, expliquer et prévoir l'impact de la distribution de l'eau au sein du cœur de pile sur les performances globales de ce système
The water content of polymer electrolytes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells and, thus, their proton conductivity, is the key issue to understand and to explain the electrochemical performances of the PEMFC electrochemical device. The fuel cell operation (creation, absorption, diffusion, migration and desorption of water) leads the hydration state of the membrane strongly heterogeneous. The proton conductivity of state-of-art polymer electrolytes results from the material structure, the water and proton diffusion mechanisms and the interactions between water and the polymer phase within the membrane. This work deals with these issues and uses vibrational spectroscopy techniques (Infra-Red and Raman) to study hydration and diffusion phenomena. Among others, this work shows the contribution of in-situ vibrational spectroscopies to the understanding of the water management issue and relationships between the water distribution throughout the membrane and the fuel cell electrochemical performances. Two perfluorosulfonated polymers, Nafion and Aquivion, are investigated.The water absorption and diffusion properties of these two membranes are studied under several hydration conditions: at the equilibrium, under external gradient of the water chemical activity and under the effect of an electric gradient (in-situ and operando measurements with the working fuel cell).Infrared spectroscopy is used to study structural modifications of the polymer phase occurring during the hydration process as well as the confinement state of water sorbed within the membrane. The last is submitted to different water vapor pressures and temperatures. This spectroscopy also allows to study interactions between water and the different chemical groups belonging to the polymer structure. Results are used to describe water absorption as well as the proton dissociation mechanism involving the sulfonic groups.Confocal Raman Micro-spectroscopy allows, by the spatial resolution at the micrometric scale, to probe the thickness of the membrane and to measure the inner, through-plane, water gradient. A micro-fluidic cell has been developed for the study of diffusion transport phenomena. This method is currently the only one by which equivalent diffusion coefficients can be calculated from internal water concentration gradients.A fuel cell especially designed for Raman measurements allowed us, for the first time by means of this technique, to determine the water distribution through the thickness of the membrane working in the electrochemical device. The new insights so obtained are essential for understanding, explaining and predicting the effects of the heterogeneous water distribution throughout the fuel cell heart on the electrochemical behavior

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Sadli, Idris. "Modélisation par impédance d'une pile à combustible PEM pour utilisation en électronique de puissance." Thesis, Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2006. http://www.theses.fr/2006INPL091N/document.

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Abstract:

Cette thèse s’intéresse à la modélisation dynamique d’une pile à combustible (PàC) PEM en vue de son utilisation en électronique de puissance. Un modèle statique basé sur une expression de la tension en fonction du courant débité est tout d’abord présenté. Le modèle dynamique est élaboré ensuite. Il est montré que l’impédance électrochimique de diffusion-convection (Zd) s’apparente à une ligne de transmission de type RC. Une discrétisation en un nombre fini d’éléments a été effectuée. Afin d’obtenir un modèle simple, deux branches RC différentes sont considérées pour l’impédance Zd auxquelles sont ajoutées la capacité de double couche, les résistances de transfert et de la membrane. Ce modèle est validé sur deux PàC de 500 W et 5 kW sur une gamme de fréquence 5 mHz à 2 kHz, lors d’échelons de courant et lors du débit sur un hacheur élévateur. Il est montré que l’utilisation du découpage haute fréquence du convertisseur permet un diagnostic de l’état d’humidification de la membrane
This thesis deals with dynamic modelling of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a view to integrate it into power electronics environment. Firstly a static model based on an expression that links current and voltage is presented. The dynamic model is then obtained. It is shown that the electrochemical diffusion-convection impedance (Zd) is similar to a RC transmission line. A discretization on a short number of elements is carried out. In order to obtain a simple model, two different RC branches for Zd impedance, a double layer capacitor, a transfer resistance, and a membrane resistance are considered. This modelling is validated on two 500 W and 5 kW PEMFC, for frequencies varying from 5 mHz to 2 kHz. The model is validated for both fuel cells during current step responses and operation with a boost converter. In this case it is shown how the high frequency switching of the converter can be used to obtain a diagnostic on the humidification state of the membrane

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Cherragui, Mohamed. "Développement d'un simulateur Hardware-in-the-Loop (HIL) d'un système pile à combustible à membrane échangeuse de proton." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2017. http://www.theses.fr/2017UBFCD034.

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Abstract:

La pile à combustible (PàC) est une source d’énergie qui produit de l’électricité à partir de l’hydrogène et de l’oxygène.Elles sont très prometteuses pour la production d'énergie électrique. Néanmoins, la PàC souffre encore d’imperfections limitant ainsi sa commercialisation à grande échelle, tout particulièrement pour les applications de transport.C’est pourquoi, l’hybridation des différentes sources d’énergies est devenue une réalité pour les applications non-stationnaires telles que les véhicules tout électriques.Cependant ces applications nécessitent des solutions de gestion de l’énergie fiables prenant en compte toutes les contraintes du système électrique hybride.Par conséquent, le développement de plateforme de validation est nécessaire.Dans ce contexte, le Hardware In the Loop (HIL) est une technique très prometteuse, où une partie d’un système réel peut être remplacée par un système virtuel tout en respectant la communication entre ces sous-systèmes physiques et virtuels.Ce mémoire détaille des modèles dynamiques d'une pile à combustible échangeuse de proton (PEMFC) hybridée à des supercondensateurs.Par ailleurs, on détaille la gestion d’énergie entre ces deux sources, ainsi que le pronostic de la pile basé d’une part d’un filtre de Kalman étendu (EKF) pour l’estimation de l’état de santé (SoH) réel de la pile, et d’autre part, de la méthode Inverse First Order Reliability Method (IFORM) en vue d’estimer la durée de vie utile restante de la pile, tout cela dans une approche Hardware-In-The-Loop (HIL)
The fuel cell is a source of energy that generates electricity from hydrogen and oxygen.They are very promising candidates for the production of electric power.Nevertheless, the fuel cell still suffers from imperfections limiting its commercialization on a full scale, in particular for transport applications.This is the reason why, hybridization of different energy sources has become a reality for non-stationary applications such as all-electric vehicles.However, these applications require reliable energy management solutions that take into account all the constraints of the hybrid electrical system.Therefore, the development of validation platform is necessary.In this context, the Hardware In the Loop (HIL) is a very promising technique, where part of a real system can be replaced by a virtual system while respecting the communication between these physical and virtual subsystems.This document details the dynamic models of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) associated with supercapacitors.Furthermore, the energy management between these two sources and the prognostic of the fuel cell composed of a extenced Kalman Filter filter (EKF) for the estimation of the real state of health (SoH) of the stack and, on the other hand, of the Inverse First Order Reliability Method (IFORM) in order to estimate the remaining useful life of the stack, all implemented in an FPGA control board in a Hardware-In-The-Loop (HIL) context

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Linares, Lamus Rafael Antonio. "Alimentation d’une bobine supraconductrice par une pile à combustible à hydrogène et conception d'un aimant vectoriel de 3 T." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0249/document.

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Abstract:

La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide
The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

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Linares, Lamus Rafael Antonio. "Alimentation d’une bobine supraconductrice par une pile à combustible à hydrogène et conception d'un aimant vectoriel de 3 T." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0249.

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Abstract:

La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide
The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

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Klein, Mathieu. "Développement de méthodes RMN/IRM dédiées à l'étude des phénomènes de transport dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons." Thesis, Université de Lorraine, 2014. http://www.theses.fr/2014LORR0274/document.

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Abstract:

La thèse porte sur le développement d’une méthodologie IRM originale (sonde RMN de surface) permettant l’imagerie haute résolution et quantitative de l’eau dans la membrane polymère, un des constituants principaux des piles à combustible de type PEMFC. Les sondes radiofréquences développées sont dédiées à (1) l’étude du coefficient d’auto-diffusion de l’eau dans une membrane soumise à une contrainte de traction et à (2) l’imagerie en temps réel de la distribution de l’eau dans une membrane soumise à différentes conditions en humidité. Les mesures indiquent que l’anisotropie de diffusion de l’eau est intimement liée à l’anisotropie de la structure du polymère. L’observation de la progression des fronts d’humidités dans la membrane suggère que la limitation au transfert de masse est due aux résistances d’interfaces de la membrane mais surtout à la relaxation du polymère lors de l’adsorption de l’eau
This work focuses on the development of MRI/NMR methods dedicated to the characterization of water transport properties in a polymer membrane used in PEMFC. Radiofrequency coils are used to (1) study water self-diffusion coefficient in uniaxially stretched membranes and (2) spatially and temporally resolved measurements of the water distribution through the membrane. These measurements provide information about the influence of the polymer structure on water transport properties and also on real-time water distribution through the membrane in various humidity conditions. The water diffusion anisotropy is intimately linked to the structural order of the polymer. The steady-state and transient profiles of water content through the membrane indicate that mass transfer is limited by the interfacial resistances and mainly by the polymer relaxation during sorption

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He, Chen Feng. "Surface behavior of sulfonated hydrocarbon proton exchange membranes." Doctoral thesis, Université Laval, 2018. http://hdl.handle.net/20.500.11794/31224.

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Abstract:

La pile à combustible a suscité une attention croissante en tant que solution de rechange écologique aux carburants fossiles. Les membranes échangeuses d’ions (PEM)s sont utilisées dans des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible directes au méthanol (DMFC) comme composant séparateur pour fournir une barrière au transfert de carburant entre les électrodes et pour transférer des protons de l'anode à La cathode. Les PEMFC et les DMFC suscitent des intérêts plus particuliers pour l'utilisation dans les applications automobiles, stationnaires et électroniques portables. En tant que composante clé d’une PEMFC, une PEM est nécessaire pour effectuer des fonctions multiples telles que la séparation de gaz, l'isolation électrique et le transfert ionique pour transporter des protons de l'anode à la cathode. La présence d'eau dans une PEM est essentielle pour que les polymères traditionnels sulfonés transfèrent les protons et facilitent la conductivité protonique. Comme le Nafion, la conduction protonique des polymères de type PEM sulfonés dépend de le teneur en eau dans les membranes. Cependant, une absorption excessive d'eau dans une PEM conduit à un changement dimensionnel inacceptable, à une mésadaptation dimensionnelle avec les électrodes, à une délamination des couches de catalyseur de la PEM et à une perte des propriétés mécaniques, ce qui pourrait conduire à une mauvaise performance ou un manque de durabilité de l'assemblage membrane – électrode (MEA). En tant que systèmes hautement intégrés, les piles à combustible sont faites de matériaux hétérogènes comportant contenant du gaz, du liquide et du solide. Les MEA sont typiquement fabriqués par collage d'électrodes de catalyseur de platine supporté sur du carbone sur l'électrolyte PEM, en utilisant un ionomère de type Nafion liant du catalyseur, quel que soit la PEM utilisée. La structure et l'activité des différentes interfaces, l'adhérence et la compatibilité entre les différentes couches ainsi que les caractéristigues du carburant jouent des rôles clés sur la performance globale de la pile à combustible. Parmi ces questions diverses, le transfert inévitable de méthanol dans une PEM, telle que le Nafion, limite les applications en DEMFC. Malgré le développement de nombreuses PEM à base d'hydrocarbures en tant que substituts au Nafion, le comportement de surface et l'adaptation / compatibilité interfaciale entre ce type de PEM et les autres couches est moins bien compris. Dans cette thèse, nous...
The fuel cell has received attention as a promising eco-friendly alternative energy source to fossil fuels. Polymer exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) have attracted increasing interest for use in motor vehicles and electronic applications including stationary and portable devices. As a key component of PEMFC and DMFC, PEM is required to perform multiple functions such as fuel separator, electrical insulator and ionic path to transport protons from the anode to the cathode. The presence of water in PEM is essential for traditional, sulfonated polymers to transfer protons and to facilitate proton conductivity. As Nafion, the proton conduction of the sulfonated PEM-type polymers depends upon the water content in the membranes. However, excessive water uptake in a PEM results in unacceptable dimensional change, dimensional mismatch with the electrodes, delaminating of catalyst layers from the PEM and loss of mechanical properties, which could result in poor membrane electrode assembly (MEA) performance or durability. As a highly integrated system, fuel cells are used in a heterogeneous environment containing gas, liquid, and solid. Typically, MEAs are constructed by bonding carbonsupported platinum catalyst electrodes onto the PEM electrolyte. Regardless of the PEM used, a Nafion-type ionomer is usually employed as a catalyst support. The structure and activity at the different interfaces, the adhesion and compatibility among various layers, as well as fuel property on PEM play key roles on the fuel cell universal performance as vital as the individual components. Among these heterogeneous concerns, crossover of methanol in PEM, such as Nafion, limits DEMFC applications. In spite of the development of numerous hydrocarbon PEMs as substitutes to Nafion, the surface behavior and interfacial match between a PEM and the other layers, such as, the interface between a PEM and gas diffusion layer/catalyst layer/methanol layer are less understood. In this thesis, the surface/interface behavior of a representative selection of hydrocarbon-based proton exchange membranes (PEMs) was investigated. These PEMs are: copolymerized sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK-HQ), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone) (Ph-SPEEK), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone ketone) (Ph-m-SPEEKK), and sulfonated poly (aryl ether ether nitrile) (SPAEEN-B).

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Baneton, Joffrey. "Couches catalytiques et membrane échangeuse de protons pour piles à combustible :Synthèse par plasma atmosphérique et caractérisation." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2019. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/292147.

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Abstract:

Ce travail de thèse s’inscrit dans un contexte de développement de nouvelles méthodes de production d’énergie. Parmi les nombreuses technologies proposées, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont particulièrement prometteuses. Cependant, certaines limitations subsistent quant à leur utilisation à grande échelle, notamment au niveau de leur trop courte durée de vie et du coût trop élevé des différents matériaux qui les composent. Cette thèse, inscrite dans un projet de recherche intitulé HYLIFE, a pour but de synthétiser par des méthodes plasma à pression atmosphérique des couches catalytiques et une membrane échangeuse de protons et de les caractériser dans le but d’une application en pile.Nous avons dans un premier temps utilisé une torche plasma radiofréquencée pour produire des couches catalytiques. Le traitement de l’acétylacétonate de platine (II), ou Pt(acac)2, en post-décharge a permis la formation de nanoparticules (NPs) métalliques de taille comprise entre 1 et 4 nm dans des conditions optimisées. Les espèces réactives du plasma comme les argons métastables ont été identifiés comme acteurs principaux dans la dégradation du précurseur et dans la réduction, directe ou indirecte (par formation de CO), du platine. Le greffage (renforcé ou non par un prétraitement O2 ou N2) des NPs a pu être réalisé sur différents supports carbonés et la caractérisation électrochimique des couches catalytiques a mis en évidence des performances en pile équivalentes à celles obtenues pour des électrodes commerciales et une bonne résistance à la dégradation. L’injection de H2 dans la torche plasma a permis la formation de NPs de cobalt à partir de Co(acac)2 et un phénomène de compétition entre le Pt et le Co lors de la formation de nanostructures bimétalliques a été mis en évidence.La formation de nanoparticules de platine a également été étudiée dans le cas du traitement par microplasma d’une solution méthanolique de Pt(acac)2. Du fait de sa densité électronique élevée et de ses interactions avec les éléments constitutifs du milieu comme les ligands organiques du précurseur et du solvant lui-même, le microplasma nous a permis de former des NPs métalliques de diamètre inférieur à 3 nm en absence d’agents réducteurs et stabilisant. Les mesures électrochimiques ont démontré le greffage des particules lors de l’addition d’un support carboné à la solution colloïdale et l’activité catalytique de celles-ci. Des expériences similaires ont été menées dans le cas de l’injection du précurseur sous forme de vapeur directement dans la décharge microplasma et ont permis le dépôt de nanoparticules et de films de morphologies diverses directement sur un substrat en fonction de la pression dans le réacteur, de la nature de ce substrat et du temps de dépôt.Enfin, nous avons synthétisé des membranes de polystyrène sulfoné par DBD. Nous avons montré qu’il était possible, à partir de styrène et d’acide triflique, d’obtenir des films denses et épais (plus de 50 microns) caractérisés par une bonne conservation des noyaux aromatiques et des fonctions sulfonées. La capacité d’échange a pu être vérifiée mais la conductivité protonique reste encore limitée, probablement à cause de problèmes de connexion entre les groupements échangeurs ioniques. L’activation par plasma de la réticulation d’une solution sulfonée de polystyrène-block-poly(éthylène-ran-butylène)-block-polystyrène en présence d’un agent réticulant, le vinyltriméthoxysilane, a été étudiée comme une alternative à la polymérisation plasma. Nous avons, dans ce cas, produit des membranes épaisses et conductrices ioniques avec un degré de réticulation variable en fonction du nombre de passages dans la DBD déroulante. L’imprégnation de la membrane en interaction avec la surface d’une électrode a également été brièvement étudiée et a montré des résultats encourageants concernant les contacts entre les deux matériaux.
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Touhami, Salah. "Apparition, détection et propagation des défauts à l'anode des piles à combustible à membrane échangeuse de protons." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2022. http://www.theses.fr/2022LORR0151.

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Abstract:

Les défauts connus pour réduire la durée de vie des piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC) peuvent apparaître sur différents composants de l'assemblage membrane-électrode (AME) et sous différentes formes en raison des procédés de fabrication ou du vieillissement -en fonctionnement- de la pile à combustible. Ce travail concerne l’étude de l’apparition, la détection et la propagation de défauts dans les AME de PEMFC, et plus spécifiquement à l’anode. À cet effet, un protocole de vieillissement accéléré (AST) combinant des cycles de potentiel et d'humidité -induits par les variations de courant-, et de maintien en circuit ouvert est appliqué à des AME standard ou avec défauts initiaux. Les AME avec défauts ont été fabriqués avec un manque de couche active à l’anode, ce défaut pouvant être localisé près de l'entrée ou bien près de la sortie d’hydrogène. Des caractérisations électrochimiques sont réalisées périodiquement à l'aide d'une cellule linéaire instrumentée et segmentée, permettant de suivre les performances de la cellule à travers les courants, les potentiels d’électrode, les impédances locales, ainsi que l’évolution de la surface active électrochimique (ECSA) à l’anode et à la cathode pendant le test de vieillissement, avec une résolution spatiale le long des canaux. Une étude par spectroscopie d’impédance a été menée conjointement, basée sur une interprétation par circuits électriques équivalents et se focalisant sur la détection de la contribution anodique à l’impédance globale de la cellule. Les résultats mettent en évidence une dégradation accélérée de l’AME ainsi que les premières preuves de propagation de défauts, en termes de perte de l’ECSA à l’anode. Cette propagation se produit dans le sens du flux d'hydrogène. L’ECSA de la cathode semble également impactée, bien qu'apparemment de manière homogène. Un amincissement important de la membrane a également été observé dans les segments défectueux, avec propagation probable aux segments adjacents, mais à plus long terme
Defects known to shorten the lifetime of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) can appear on different membrane electrode assembly (MEA) components and under different forms due to manufacturing processes or operational aging of the fuel cell. This work concerns the occurrence, detection, and propagation of defects in PEMFC MEA, and more specifically at the anode. To this end, an accelerated stress test (AST) combining potential and humidity cycles -induced by load variations-, and open-circuit hold is applied to standard MEA, and to MEA with initial defects. Those customized MEA were intentionally prepared with a lack of active layer at the anode, the defect being located either near the hydrogen inlet or near the hydrogen outlet. Periodic electrochemical characterizations were carried out using a segmented instrumented linear cell, allowing to monitor the cell performance through the currents, electrode potentials, and local impedance, as well as the evolution of the electrochemical active surface (ECSA) at the anode and cathode during the ageing test, with a spatial resolution along the channels. An electrochemical impedance spectroscopy study was conducted jointly, using equivalent electrical circuits, and focusing on the detection of the anodic contribution to the global impedance of the cell. Results showed an accelerated degradation of the MEA and the first evidence of defect propagation, in terms of loss of ECSA at the anode. This propagation occurred in the direction of the hydrogen flow. The ECSA at the cathode also appeared to be impacted, although apparently homogeneously. Significant membrane thinning was also observed in the defective segments, with probable propagation to adjacent segments, but over a longer time period

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Sadli, Idris. "Modélisation par impédance d'une pile à combustible PEM pour utilisation en électronique de puissance." Electronic Thesis or Diss., Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2006. http://www.theses.fr/2006INPL091N.

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Abstract:

Cette thèse s’intéresse à la modélisation dynamique d’une pile à combustible (PàC) PEM en vue de son utilisation en électronique de puissance. Un modèle statique basé sur une expression de la tension en fonction du courant débité est tout d’abord présenté. Le modèle dynamique est élaboré ensuite. Il est montré que l’impédance électrochimique de diffusion-convection (Zd) s’apparente à une ligne de transmission de type RC. Une discrétisation en un nombre fini d’éléments a été effectuée. Afin d’obtenir un modèle simple, deux branches RC différentes sont considérées pour l’impédance Zd auxquelles sont ajoutées la capacité de double couche, les résistances de transfert et de la membrane. Ce modèle est validé sur deux PàC de 500 W et 5 kW sur une gamme de fréquence 5 mHz à 2 kHz, lors d’échelons de courant et lors du débit sur un hacheur élévateur. Il est montré que l’utilisation du découpage haute fréquence du convertisseur permet un diagnostic de l’état d’humidification de la membrane
This thesis deals with dynamic modelling of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a view to integrate it into power electronics environment. Firstly a static model based on an expression that links current and voltage is presented. The dynamic model is then obtained. It is shown that the electrochemical diffusion-convection impedance (Zd) is similar to a RC transmission line. A discretization on a short number of elements is carried out. In order to obtain a simple model, two different RC branches for Zd impedance, a double layer capacitor, a transfer resistance, and a membrane resistance are considered. This modelling is validated on two 500 W and 5 kW PEMFC, for frequencies varying from 5 mHz to 2 kHz. The model is validated for both fuel cells during current step responses and operation with a boost converter. In this case it is shown how the high frequency switching of the converter can be used to obtain a diagnostic on the humidification state of the membrane

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Akrout, Alia. "Membranes hybrides nanostructurées pour application en piles à combustible." Thesis, Montpellier, 2020. http://www.theses.fr/2020MONTS014.

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Abstract:

L’objectif de ce travail est le développement de membranes de type acide perfluorosulfonique (PFSA) pour les piles à combustible à membranes échangeuses de protons avec une stabilité mécanique et chimique accrue. La stratégie utilisée au cours de cette thèse consiste à préparer des membranes composites incorporant des réseaux de nanofibres polymères (renfort mécanique) ainsi que des pièges à radicaux inorganiques et organiques (stabilisation chimique). Pour éviter l’élution de ces derniers, des argiles nanotubulaires ont été utilisées comme support d’immobilisation et incorporées directement dans la membrane PFSA ou dans des nanofibres polymères. Les membranes ainsi réalisées ont été caractérisées ex situ, puis en monocellule de pile à combustible. Leur perméabilité aux gaz et leur stabilité à la dégradation mécanique et chimique ont été évaluées par des tests de vieillissement accéléré
The objective of this PhD work is the development of perfluorosulfonic acid (PFSA) membranes for proton exchange membrane fuel cells with high mechanical and chemical stability. The strategy used during this thesis consists of preparing composite membranes incorporating networks of polymer nanofibers (mechanical reinforcement) as well as inorganic and organic radical scavengers (chemical stabilization). To avoid the elution of the latter, nanotubular clays were used as immobilization support and incorporated directly into the PFSA membrane or into polymer nanofibers. The membranes thus prepared were characterized ex situ, then in a single fuel cell. Their gas permeability and their stability towards mechanical and chemical degradation have been evaluated by accelerated stress test

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Benallouch, Mohamed. "Observation des systèmes non-linéaire à entrées inconnues : application à la pile à combustible de type PEM." Strasbourg, 2009. http://www.theses.fr/2009STRA6091.

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Coudray, Mathias. "Procédé de recyclage des Assemblages Membrane Electrode (AME) de piles à combustible utilisant des liquides ioniques." Thesis, Lyon, 2019. https://n2t.net/ark:/47881/m6h70f5d.

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Abstract:

Le recyclage des assemblages membrane électrode (AMEs) des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est en enjeu important pour le développement du marché de ces piles fonctionnant à l’hydrogène. Dans ces AMEs se trouvent le platine (Pt), un métal précieux et rare qui conditionne majoritairement le coût total de la pile. Le recyclage du Pt est encore largement effectué par hydro ou pyrométallurgie ce qui entraîne le rejet de gaz toxiques et polluants dans l’environnement. Plusieurs études ont porté sur la mise en place d’une voie plus soutenable écologiquement que le traditionnel usage d’acides forts pour lixivier le platine. Le procédé proposé ici s’inscrit dans ce domaine de recherche en proposant une nouvelle voie de séparation des constituants de l’électrode de PEMFC en vu de leur recyclage par l’utilisation de liquides ioniques. Ceux-ci par leur stabilité thermique et chimique et leur non-volatilité peuvent permettre la mise en place d’un procédé de récupération du platine sûr. Après l’étude d’une sélection de liquides ioniques plusieurs d’entre eux, dont le P66614Cl (trihexyltetradécylphosphonium chlorure), ont permis la récupération du platine sous forme de nanoparticules détachées et stabilisées dans le liquide ionique. Une étude des interactions du liquide ionique avec chacun des composants de l’AME a permis de mieux comprendre les mécanismes d’extraction. Le liquide ionique interagit ainsi fortement avec l’ionomère présent dans la couche catalytique. Cette forte interaction ouvre la voie à un retraitement simultané du Nafion et du platine des AMEs
Recovery of the protons-exchange membrane fuel cell (PEMFC) membrane electrode assemblies (MEAs) is an important issue for the growing of the fuel cells market. These MEAs contain platinum (Pt), which as a precious metal mainly influences the total cost of fuel cells. The recycling of Pt is still based to a great extent on hydro or pyrometallurgical techniques which produce toxic and pollutant gas emissions. Some studies aimed to set up processes to recycle platinum in a more sustainable way than traditional metal lixiviation using strong acids. The study here is part of this research field and is about a new way to separate the different components of the PEMFC electrode using ionic liquids for the recycling of these valuable materials. These liquids possess excellent thermal and chemical stability and their non-volatility can be useful to set up a safer way to recover platinum. A selection of ionic liquids was studied and some of them, including the P66614Cl (trihexyltetradecylphosphonium chloride), could be use to recover Pt nanoparticles detached from their carbon support and stabilized in the ionic liquid. A study on the interactions of ionic liquids and the components of the MEA allowed the extraction mecanisms to be better understood. Thus the ionics liquids interact strongly with Nafion in the catalyst layer which allows Pt nanoparticles to be recovered. These strong interactions set the stage for the simultaneous recycling of Nafion and Pt from MEAs

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Merle, Agnès. "Etude de catalyseurs à base de platine pour électrodes de piles à combustible à membrane échangeuse de protons." Lyon 1, 1996. http://www.theses.fr/1996LYO10125.

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Abstract:

Le developpement des piles a combustible a membrane echangeuse de protons pour des vehicules electriques necessite une minisation de la quantite de platine utilisee dans les electrodes. Ainsi le platine est depose sur differents supports selon deux methodes: l'echange cationique et l'impregnation. Les catalyseurs sont etudies electrochimiquement avec une electrode tournante a disque. L'etude de la reduction de l'oxygene a montre que l'activite specifique du platine augmente avec la taille des particules. L'ajout d'un promoteur (palladium, ruthenium) a permis de multiplier la densite de courant d'echange par vingt et huit respectivement. Pour l'oxydation de l'hydrogene, l'activite electrocatalytique est meilleure avec des particules de diametre egal ou superieur a deux nm. De plus, cette activite diminue quand on augmente la teneur en platine. L'ajout de palladium (quarante pour cent) ou de ruthenium (vingt-deux et soixante dix-huit pour cent) a permis d'obtenir une activite maximale

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Nguyen, Dinh An. "Modélisation dynamique du "coeur" de pile à combustible de type PEM." Electronic Thesis or Diss., Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2010. http://www.theses.fr/2010INPL035N.

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Abstract:

Étant une des nouvelles sources délivrant des énergies électrique et thermique décentralisées, les piles à combustible offrent une meilleure efficacité énergétique et des émissions réduites pour un développement durable. Ce mémoire est axé particulièrement sur l’étude des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), et sur les phénomènes physico-chimiques dont elles sont le siège. Un modèle 2D dynamique a été développé et résolu numériquement par la méthode des éléments finis au moyen du logiciel COMSOL Multiphysics. Les caractéristiques statiques et dynamiques simulées sont confrontées aux mesures effectuées sur un banc de test équipé d’une monocellule de type PEM de 100cm2 du laboratoire GREEN. Des études paramétriques, telles que l’influence des conditions opératoires, différentes sollicitations en courant, ont été simulées et expérimentées. Le comportement dynamique de la monocellule à un échelon de courant, et plus particulièrement à un couplage direct sur une capacité, a souligné l’importance du phénomène de la double couche électrique aux interfaces membrane/électrode dans la description précise des transitoires rapides. Enfin, la spectroscopie d’impédance, très répandue comme outil de caractérisation de la pile, a été mise en œuvre en simulation, permettant ainsi l’analyse des effets de cette méthode de mesure sur les grandeurs locales du cœur de pile
Being a new source of supplying electrical and thermal decentralized energy, the fuel cells offer better energy efficiency and reduced emissions for sustainable development. This thesis deals with the physicochemical phenomena that occur in a single cell of fuel cell proton exchange membrane. A 2Ddynamic model was developed and solved numerically by the finite element method using thesoftware COMSOL Multiphysics. The simulated static and dynamic polarization curves are confronted with measurements made on a 100cm² single cell test bench that belongs to GREEN Laboratory. Aparametric study, such as the influence of operating conditions, different stress current has been simulated and tested. The single cell dynamic behavior to a current step and more particularly to adirect connection to capacitor has underlined the importance of the electrical double layer phenomenon, located at the membrane / electrode interfaces, to describe precisely fast transients.Finally, spectroscopy impedance as a tool widely used to characterize the cell has been implemented in simulation allowing the analysis of the effects of this measurement method on the local parameters

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Lamibrac, Adrien. "Étude des dégradations dans les piles à combustible PEMFC pendant les phases de démarrage/arrêt." Thesis, Université de Lorraine, 2013. http://www.theses.fr/2013LORR0117/document.

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Abstract:

Cette thèse contribue à l'identification des mécanismes de dégradation qui ont lieu durant les phases de démarrage et d'arrêt des Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Proton. Dans un premier temps, des démarrages et arrêts individuels sont étudiés au moyen d'une cellule équipée de collecteurs de courants segmentés. Les courants internes qui sont produits durant ces opérations peuvent ainsi être mesurés. La mesure du dioxide de carbone dans les gaz d'échappement de la cathode révèle qu'une partie des courants internes correspond à de l'oxydation du carbone. Une autre part provient des réactions (réversibles ou non) d'oxydoréduction impliquant du platine. L'hétérogénéité des dégradations subies par la pile entre l'entrée et la sortie de la cathode est mise en évidence lors de protocoles de vieillissement répétant des démarrages et arrêts. Des analyses post-mortem révèlent un autre niveau d'hétérogénéité, qui concerne également le carbone, entre les dents et les canaux. De ces expériences, il ressort également que les dégradations sont plus importantes lorsque les gaz sont injectés à faible vitesse dans le compartiment anodique mais aussi quand de l'air est utilisé à la place de l'azote pour arrêter la pile. L'influence des caractéristiques de la MEA sur l'intensité des dégradations est aussi étudié. Un chargement en platine élevé à l'anode ou des électrodes avec des surfaces de carbone actif élevées accélèrent la chute des performances électriques. Au contraire accroitre le chargement en platine à la cathode limite ces pertes. Enfin, des simulations numériques des phases de démarrage complètent les résultats expérimentaux. L'oxydation réversible du platine est notamment identifiée comme étant responsable d'une part importante des courants internes
This works contributes to the identification of the various degradation mechanisms in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell during start-up and shut-down operations. Single start-ups and shut-downs are first analysed using a cell with segmented cathode current collectors. Thus, internal currents which occur during these operations can be measured. Carbon dioxide measured in the cathode exhaust gas reveals that they result partially from carbon oxidation. Another contribution is the reversible or non reversible redox reactions involving platinum. The heterogeneity of the non reversible platinum oxidation between the inlet and outlet of the cathode is evidenced by the in-situ monitoring of the Electrochemical Surface Area during long-term start-up and shut-down aging protocols. Post-mortem analysis reveals another level of heterogeneity, which concerns also carbon oxidation, between land and channel. From these experiments, it appears also that degradations are more important when gases are injected with a low velocity in the anode compartment and when air is used instead of nitrogen to flush the anode compartment during shut-down. The influence of the MEA characteristics on the extent of the degradation observed during these aging protocols is also analyzed. High platinum loading in the anode and high surface carbon electrodes accelerate the drop of the electrical performances, while increasing the cathode platinum loading limits their decay. Finally, numerical simulations of start-ups complete the experimental results. Reversible platinum oxidation was found to be one of the main contribution to the internal currents

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Ratieuville, Vincent. "Elaboration et caractérisation de nouvelles membranes thermostables pour application piles à combustible." Rouen, 2014. http://www.theses.fr/2014ROUES056.

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Abstract:

Ces travaux de thèse ont pour objectif l'élaboration de membranes thermostables conductrices de protons destinées aux piles à combustible. En effet, les performances de la membrane Nafion®, référence des PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) sont limitées aux basses températures, ceci en raison d'une perte de conductivité par effet de déshydratatin au-delà de 90°C. Pour remédier à cela et s'affranchir de l'hydratation des membranes deux approches ont été développées. La première consistait à concevoir des membranes à base de polyimide (Matrimid®) et de liquide ionique (LI) protique soit comme membrane à liquide ionique imprégnée (MLII), soit comme membrane composite par simple mélange. La MLII présente les meilleures propriétés (résistance mécanique, conductivité ionique, etc. ) mais un relargage de LI a été observé avec l'augmentation de température. La seconde démarche visait l'élaboration de membranes ionomères à partir de la synthèse de polymères conducteurs, les polyazoles (POD). Pour tenter d'améliorer la stabilité mécanique et la conductivité ionique du POD, différentes membranes ont été réalisées par association du POD avec le Matrimid®, le LI (BIM-DBP) ou encore un co-monomère sulfonique (ASB). Les premières mesures de conductivité ont déjà montré quelques résultats encourageants. Au cours de ce travail de thèse et en particulier pour les MLIIs une corrélation a pu être établie entre les différentes structures des membranes étudiées et leurs propriétés de conductivité ionique, de résistance thermique, mécanique et chimique, de perméation et de stabilité à la pression
The aim of the present work was to develop thermally stable proton-conducting membranes for cell application. Indeed, performances of the Nafion® membrane, reference for PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), are limited due to a conductivity loss above 90°C caused by dehydration effect. To solve this problem and to overcome the hydration dependence of membranes, two approaches have been investigated. The first one was to elaborate membranes based on polyimide (Matrimid®) and protic ionic liquid (IL) as either supporrted ionic liquid membrane (SILM) or as a composite membrane by simple blending. SILM presents the best properties (mechanical strength, ion conductivity, etc. ) but an IL leakage was observed with temperature increasing. The second approach involved the development of ionomer membranes based on synthetised conductive polymers, namely polyazole (POD). In order to improve the mechanical stability and the ionic conductivity of POD, different membranes were elaborated by its association with Matrimid® and IL (BIM-DBP) or with a sulfonic co-monomer (SBA). Encouraging results were obtained during conductivity measurements. In this work , a correlation between the structure of the studied membranes and their ionic conductivity, permeation, thermal, mechanical and chemical properties, as well as pressure stability was established

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Seck, Serigne. "Elaboration de matériaux hybrides organiques / inorganiques par extrusion réactive : Application en pile à combustible." Thesis, Lyon, INSA, 2013. http://www.theses.fr/2013ISAL0027.

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Abstract:

A l’heure actuelle, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) les plus avancées, qu’elles soient disponibles commercialement ou intégrées dans des démonstrateurs, sont réalisées avec des électrolytes polymères perfluorosulfonés de types Nafion®. En effet, ce type de polymère est celui qui présente à la fois les meilleures performances et la plus grande durée de vie sans pour autant qu’elles soient suffisantes, et ce, quelles que soient les applications (portable, stationnaire, transport). En effet ce polymère présente toutefois trois inconvénients majeurs : son prix, sa perméation au méthanol et sa perte de performance (et surtout de conductivité) dès 80-85 °C. Selon les projections avec les technologies actuelles (source DOE), le prix de vente du Nafion® serait de 80 $/m2 pour une production de 1 Mm2. Il existe un réel besoin de développer de nouveaux matériaux pour membranes échangeuses de protons présentant d’excellentes performances (propriétés mécaniques, imperméabilité maximale au méthanol et H2, conduction protonique..) sur une large gamme de températures, typiquement entre 25 et 150°C (selon l’application visée), mais présentant également un coût de fabrication réduit. Or aujourd’hui, ces différentes fonctions sont assurées par un seul polymère perfluorosulfoné ce qui est le problème principal. Ainsi, l’intérêt du projet est de combiner les avantages d’un matériau hybride obtenu par génération in situ de la phase inorganique (Sol-Gel) nanométrique avec l’utilisation d’un procédé en continu de mise en œuvre par extrusion (voie fondu), exempt de tout solvant et facilement transférable industriellement. La conduction protonique sera assurée par des fonctions sulfoniques générées grâce à l'oxydation des sites fonctionnels apportés par le précurseur fonctionnel
Fuel cells technologies are electrochemical energy conversion devices and have a real potential to revolutionize the way to produce energy, offering cleaner, more-efficient alternatives to combustion of gasoline and other fossil fuels. In that way, the Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are probably the most studied. Those fuel cells are mainly based on perfluorosulfonic acid membranes, such as Nafion®. However, Nafion® membranes, present some limitations such as dehydration at high temperatures or at low relative humidity rate leading to a decrease of proton conductivity and thus poor PEMFC performance. Consequently, PEMFC require significant improvements prior to be largely used in the automobile field. Research efforts have been oriented on the development of new materials for the PEMFC membrane as it is the main limitative component for high temperature fuel cell. In the present contribution, we wish to report the validation of a new concept of hybrid materials for the realization of proton exchange membranes. The originality of this hybrid concept is based on the contribution of both phases’ specific properties. We investigated the preparation of hybrid materials based on an inert polymer matrix (low cost) providing the mechanical stability embedding inorganic phase providing the necessary properties of proton-conduction and water retention. Hybrid nanocomposite membranes were synthesized using evaporation and recasting technique from solution containing dispersion of inorganic particles in the adequate polymer. Scanning electron microscopy (SEM) images for membrane morphology and proton conductivity results using impedance measurements from hybrid membranes will be presented. The performance of the membrane-electrode assembly (MEA) using the hybrid membrane was also evaluated by a fuel cell test. Finally, we wish to present a promising way of research based on Sol-Gel approach to generate a proton-conducting inorganic phase into the polymer matrix

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Rouhet, Marlene. "Etude de l'influence des protons sur la réduction de l'oxygène dans des couches catalytiques ordonnées en vue d'une application en pile à combustible." Thesis, Strasbourg, 2014. http://www.theses.fr/2014STRAF031/document.

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Abstract:

Les couches catalytiques avec une structure ordonnée à base de nanoparticules de Pt supportées sur des nanofilaments de carbone verticalement alignés ont montré des performances intéressantes grâce à l’amélioration des propriétés du transport de matière et à une meilleure utilisation du Pt. Des études électrochimiques combinées à une modélisation mathématique ont mis en évidence l’influence du transport de protons sur les processus d’oxydo-réduction, la cinétique et le mécanisme de réduction de l’O2 (ORR), et sur H2O2 qui s’échappe des couches pendant l’ORR. Nous avons montré que (i) les protons sont impliqués dans l’étape limitante de la réaction, (ii) pour un pH ≥ 3, un plateau de courant limité par la diffusion des protons est observé et, (iii) pour un pH ≥ 3, le mécanisme de l’ORR implique non seulement les ions hydroniums mais aussi les molécules d’eau. L’intégration de ces couches catalytiques dans des PEMFCs haute température a ensuite été étudiée. Les performances obtenues sont légèrement plus basses que celles des couches conventionnelles. Un travail d’optimisation reste donc à accomplir pour améliorer les performances
Ordered catalytic layers based on vertically aligned carbon nanofilaments with Pt nanoparticles demonstrate high efficiency for oxygen transport and Pt utilization in the catalytic layer. Electrochemical studies combined with mathematical modeling confirm the influence of the proton transport on surface red-ox processes, the kinetics and the mechanism of the O2 reduction (ORR), and on the H2O2 escape. We show that (i) protons are involved in the rate-determining step of the O2 reduction, (ii) for pH ≥ 3, a plateau corresponding to the diffusion-limited current of protons is observed and, (iii) for pH ≥ 3, the mechanism of the ORR involves not only the hydronium ions but also water molecules. The integration of these catalytic layers in high temperature PEMFCs was then studied. The performance is slightly lower than that for conventional layers. An optimization work is required to improve the performance

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Krosnicki, Guillaume. "Utilisation de fullerène comme support de catalyseur pour les piles à combustible de type PEMFC." Strasbourg, 2011. http://www.theses.fr/2011STRA6224.

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Abstract:

Ce travail concerne l’étude de nouveaux catalyseurs à base de fullerène pour la cathode de piles à combustible de type PEMFC. L’utilisation du fullerène C60, réputé stable, comme support de catalyseur ainsi que la possibilité de lier le platine sur le fullerène permet d’espérer améliorer la tenue à la dégradation de la couche active. Dans un premier temps, un ensemble de catalyseur de type MnC60 à base d’atomes de platine et/ou palladium liés au C60, appelés métallofullerènes, ont été synthétisés et caractérisés physico-chimiquement. En parallèle, des catalyseurs non-nobles à base de phtalocyanine de fer déposée sur du fullerène ont également été synthétisés. Les performances de ces catalyseurs ont été testées électrochimiquement, sur une électrode tournante à disque-anneau, en demi-cellule et, pour les meilleurs catalyseurs, en pile, et comparées à celles obtenues avec des catalyseurs commerciaux de référence sur noir de carbone Pt/C et PtCo/C. Il ressort de l’étude que les performances des métallofullerènes dépendent de la stœchiométrie n des composés MnC60 et que les meilleurs présentent des performances similaires voire supérieures à celles obtenues avec les catalyseurs de référence. Les catalyseurs non-nobles sur fullerène permettent d’obtenir des performances similaires à celles obtenues avec des catalyseurs non-nobles sur noir de carbone. De plus, une première étude de vieillissement des métallofullerènes montrent que ces composés ont une résistance à la corrosion du carbone similaire aux catalyseurs de référence
This work concerns the study of new fullerene-based catalysts for the cathode of fuel cell type PEMFC. The use of fullerene C60, known to be stable, as a catalyst support and the ability to bind the platinum on the fullerene can hope to improve the resistance to degradation of the active layer. As a first step, a set of type catalyst MnC60 based on platinum and / or palladium atoms bonded to C60, called metallofullerenes, were synthesized and characterized physically and chemically. In parallel, non-noble catalysts based on iron phthalocyanine deposited on fullerene have been synthesized. The performance of these catalysts were electrochemically tested on a rotating ring-disk electrode, half-cell and, for best catalysts in fuel-cell, and compared with those obtained with reference commercial catalysts on carbon black Pt/C and PtCo/C. It appears from the study that the performance of metallofullerenes depends on the stoichiometry n of MnC60 compounds and best of them exhibit performance similar or even superior to those obtained with the reference catalysts. Non-noble catalysts on fullerene can obtain performance similar to those obtained with non-noble catalysts on carbon black. In addition, an initial study of metallofullerenes aging shows these compounds have a carbon corrosion resistance similar to reference catalysts

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Dos, Santos Leslie. "Mécanisme de conduction protonique au sein de membranes hybrides pour piles à combustible." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066612.

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Abstract:

Récemment perçues comme une Alternative aux énergies fossiles, les Piles à combustible reçoivent un grand intérêt. Les Piles à combustible à membrane échangeuse de proton sont commercialisées avec un électrolyte composé d'un polymère perfluoré, le Nafion. Ce dernier, au prix prohibitif ainsi qu'aux propriétés réduites à forte température, est un frein au développement industriel de cette catégorie de PAC. Cette thèse présente une alternative originale. Une membrane électrolyte, associant propriétés pertinentes de la chimie du sol-gel (chimie douce, aisément paramétrable) au procédé electrospinning. Une formulation idéale a été trouvée au travers d'une maitrise des paramètres de synthèse et de procédé ; une membrane hybride associant domaines Organique et Inorganique. Le travail s'axe ensuite autour de la compréhension de la diffusion protonique au sein de ce matériau multi-échelle. Clés des performances des membranes, une analyse microstructurale complète a été effectuée (MEB, FTIR, ATG, RMN). Elle a permis une corrélation aux différentes échelles de la structure de la membrane et du transport protonique. Le travail de compréhension s'est alors concentré sur les phénomènes multi-échelles, par mesure diélectriques à large bande, révélant différentes échelles de diffusion du proton (mis en avant par spectroscopie d'impédance électrochimique, par RMN à gradient de champ et par diffusion quasi-élastique de neutrons)
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has recently received increasing attention as a clean renewable power source due to its high operational efficiency and minimal environmental impact. The currently well-developed PEMFC technology is based on perfluorosulfonic polymers acid membranes as electrolyte. The reference membrane is Nafion due to their excellent chemical, mechanical, and thermal stability. However, Nafion presents several drawbacks as high cost and relative low operational temperatures. An alternative to replace commercials membranes is the development of organic-inorganic hybrid membranes for fuel cell applications. The advantage of these membranes is the decoupling of the proton transport from the mechanical properties. This hybrid membrane combines the intrinsic physical and chemical properties of both the inorganic and organic components allowing desirable properties. The swelling of the membrane can be adjusted via the composition of the membrane. A new hybrid membrane composed of silica and polymer PVDF-HFP is synthesised by combining sol gel chemistry and electrospinning. The association between the sol gel process and electrospinning permits the creation of an inorganic network within the polymer membrane, and morphological control to tune the proton pathway. This process recreated the nanoseparation observed in hydrated Nafion while being in dependent of water quantity. This organisation is strongly correlated with high conductivity of nafion. These news membranes are made of polymer fibbers surrounded by a functionalized (-SO3H) inorganic network. This microstructure conduces to membranes with conductivity values comparable to Nafion. To optimize the sol-gel chemistry and the electrospinning parameters, there is a need to understand proton mechanisms in these multiscale materials. Several characterisation techniques are used to explain the microstructure and to understand the link with conductivity values

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Passot, Sylvain. "Etude expérimentale et par modélisation de l'impact d'impuretés de l'hydrogène sur le fonctionnement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00813426.

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Abstract:

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont sensibles aux polluantsde l'hydrogène et de l'air. Cette étude s'est focalisée sur l'impact du monoxyde de carbone (CO) et dusulfure d'hydrogène (H2S), deux polluants majeurs dans l'hydrogène (H2), suivant une approchecombinant expériences et modélisation.Le volet expérimental a consisté à étudier l'effet de la concentration des polluants individuels et enmélange et des chargements en catalyseurs, pour différents modes de fonctionnement. Cette étude amis en lumière un impact sur les deux électrodes (anode et cathode) dû à la distribution hétérogènedes polluants à la surface de l'anode et à la désactivation de la partie de la cathode en regard. Deplus, dans le cas d'un empoisonnement par H2S, cette étude a montré que la tension de cellule atteintun état quasi-stationnaire, en mode galvanostatique, ce qui n'avait jamais été mis en évidence dans lalittérature.Dans l'approche de modélisation multi-échelles, le couplage de l'électrochimie et de la fluidique ainsique le développement de différentes " briques " du modèle ont permis de perfectionner la descriptiondes phénomènes physico-chimiques. Le modèle permet maintenant de simuler le fonctionnementd'une cellule de pile à combustible dans les conditions opératoires réelles, en intégrant les cinétiquesd'empoisonnement du platine par CO et H2S.Enfin, la comparaison des données expérimentales et des simulations a montré des résultats trèssatisfaisants appuyant certains arguments pour l'interprétation de l'impact des impuretés de H2.

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Turtayeva, Zarina. "Genesis of AEMFC (anion exchange membrane fuel cell) at the lab scale : from PEMFC’s inks composition toward fuel cell bench tests in alkaline media." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2022. http://www.theses.fr/2022LORR0285.

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Abstract:

Les piles à combustible à membrane échangeuse d'anions (AEMFC) ont récemment attiré l'attention en tant que piles à combustible alternatives à faible coût aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons traditionnelles en raison de l'utilisation possible d'électrocatalyseurs non-nobles. Bien que l'AEMFC ressemble à la PEMFC, les problèmes de gestion de l'eau sont plus prégnants dans une AEMFC car l'ORR en milieu alcalin nécessite de l'eau, tandis qu'en même temps, de l'eau est produite en grande quantité du côté de l'anode. Pour mieux comprendre la gestion de l'eau dans ce type de pile à combustible, il faut d'abord développer et acquérir de l'expérience avec ce type de pile à combustible à l'échelle du laboratoire. Puisque les matériaux prêts à l'emploi n'existaient pas au commencement de la thèse, nous avons dû fabriquer nos propres assemblages électrode-membranes (AMEs) à partir des matériaux disponibles dans le commerce. Etant donné que la thématique de fabrication des AMEs est nouvelle pour les chercheurs du LEMTA, cette thèse est articulée en deux parties, une dédiée à la formulation, la préparation et l'optimisation des AMEs pour PEMFC ; et une autre dédiée au développement d'AEMFC. Les résultats ont indiqué que la composition et préparation de l'encre, ainsi que la manière de déposer l'encre modifient systématiquement la structure de l'électrode, de même que ses performances en piles à combustible. En outre, l'étude fournit des informations sur les procédures et les méthodes pour les tests en AEMFC. Ici, nous souhaiterions partager notre savoir-faire avec les nouveaux venus dans le domaine de la préparation des AMEs pour piles à combustibles à membranes échangeuses d'ions
Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) have recently attracted significant attention as low-cost alternative fuel cells to traditional proton exchange membrane fuel cells as a result of the possible use of platinum-group metal-free electrocatalysts. Although AEMFC is a mimic of PEMFC but working in an alkaline medium, water management issues are more severe in AEMFC because ORR in alkaline media requires water, while at the same time water is produced at the anode side. To better understand water management in this type of fuel cell, it is necessary first to develop and gain experience with this kind of fuel cell on the laboratory scale. Since no ready-to-use materials are available at the beginning of the project, the necessity of fabricating homemade MEAs from commercially available materials becomes a reality that we must face. As MEA fabrication is a new topic to LEMTA's researchers, this is why this thesis was divided into two parts: one part dedicated to the formulation, preparation, and optimization of MEAs for PEMFC through physico-chemical and electrochemical characterizations; another part dedicated to the development of AEMFC. The results indicated that ink deposition, composition, and preparation systematically change the electrode structure and thus affect fuel cells performance. Furthermore, the study provides information on the AEMFC procedures and methods. Here, we would like to share our know-how with newcomers in the field of preparation of MEA in ion exchange membrane fuel cells

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Cellier, Julien. "Etude et caractérisations de membranes nanocomposites hybrides pour pile à combustible du type PEMFC." Thesis, Tours, 2017. http://www.theses.fr/2017TOUR4001/document.

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Abstract:

La membrane conductrice protonique constitue un rouage essentiel du fonctionnement des piles à combustible PEMFC. Les travaux de recherche présentés dans ce document consistent à développer une membrane non perfluorée basée sur une technologie nanocomposite hybride susceptible d’être produite à faible coût. Cette membrane est composée d’une matrice poly(VDF-co-HFP) dans laquelle sont dispersées des nanoparticules de silice fonctionnalisée par de l’acide poly(styrène sulfonique) (PSSA). Ce travail a porté sur l’étude de la mise en oeuvre de la membrane afin d’obtenir une membrane homogène et dense avec des caractéristiques physico-chimiques et électrochimiques intéressantes. Les performances en pile après rodage à 60 °C sont extrêmement satisfaisantes avec un gain en densité de puissance de 40 % à 0,7 V par rapport au Nafion® NRE211. Les études de durabilité de la membrane ont mis en évidence un phénomène d’élution de la silice fonctionnalisée ayant pour conséquence un fort déclin de tension. Différentes stratégies de modification de la membrane ont été proposées pour améliorer la stabilité de la membrane. Les plus intéressantes consistent à modifier la morphologie de la matrice (grades de PVDF plus rigides ou réticulation du poly(VDF-co-HFP) par irradiation) pour mieux confiner les charges ou à greffer la silice fonctionnalisée sur la matrice. Cette dernière stratégie conduit à une diminution par trois du gonflement et par 2,5 de la vitesse de déclin à 80°C
The proton conductive membrane is an essential part of the operation of PEMFC. This document presents the development of a non-perfluorinated membrane based on a hybrid nanocomposite technology likely to be produced at low cost. This membrane is composed of a poly(VDF-co-HFP) matrix in which are dispersed poly(styrene sulphonic acid) (PSSA) functionalized silica nanoparticles. This work focuses on the study of the implementation of the membrane to obtain a homogeneous and dense membrane with good physicochemical and electrochemical characteristics. Fuel cell performances after running at 60 °C are extremely satisfactory with a gain, compared to Nafion NRE211, of 40% for the power density at 0.7 V. However, the durability studies showed an elution phenomenon of the functionalized silica particles which results in a high voltage decline. Different membrane modification strategies have been proposed to improve the stability of the membrane. The most interesting involve modifying the morphology of the matrix (more rigid grades of PVDF or poly(VDF-co-HFP) crosslinking by radiation) to better confine the particles or grafting functionalized silica to the matrix. This last strategy leads to a threefold decrease of the swelling and 2.5 factor of the decay rate at 80 °C

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Ozouf, Guillaume. "Electrodes à base d’aérogels de SnO2, résistantes à la corrosion pour la réduction de l’oxygène dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017PSLEM060/document.

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Abstract:

Afin d’augmenter la durabilité des PEMFC, des aérogels de dioxyde d'étain ont été étudiés pour remplacer le carbone comme support de catalyseur cathodique. SnO2 est un semi-conducteur de type n dont la conductivité électronique peut être améliorée en le dopant par des cations hypervalents tels que Nb5+, Ta5+ ou Sb5+. Pour être un support de catalyseur efficace, le matériau doit aussi posséder une surface spécifique élevée avec une morphologie mésoporeuse pour permettre à la fois la dispersion et l'activité du catalyseur (Pt). À cette fin, notre objectif était de développer des aérogels de SnO2 dopé. Dans cette étude, les aérogels ont été synthétisés par voie sol-gel en milieu acide à partir d’alcoxydes métalliques comme précurseurs. Nos matériaux présentent une morphologie aérée très intéressante avec une surface spécifique relativement élevée (80-90 m2/g). De plus, tous les aérogels SnO2 dopés au Sb ont présenté une amélioration très significative de la conductivité électronique pour atteindre une valeur d’environ 0,12 S/cm. Les nanoparticules de platine ont ensuite été déposées sur la surface de l'aérogel SnO2 dopé Sb en utilisant trois méthodes différentes. La méthode basée sur la réduction chimique par l’intermédiaire d’un polyol fournit le meilleur résultat en terme d'activité catalytique massique, mesurée en électrode à disque tournant (Is = 32 mA/mgPt). Cette valeur est, par ailleurs, encore plus élevée que celle de l'électrocatalyseur TEC10E40E (Is = 27 mA/mgPt). Les AMEs intégrant notre aérogel SnO2 dopé au Sb ont enfin montré une très bonne durabilité à des potentiels élevés
In order to tackle the problem of low durability, tin dioxide aerogels were studied to replace carbon black as a catalyst support in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). SnO2 is a well-known n-type semi-conductor whose electronic conductivity can be improved by doping with hypervalent cations such as Nb5+, Ta5+ or Sb5+. In addition, as a catalyst support, this material has to develop a high specific surface area with adequate mesoporous morphology to allow both good dispersion and activity of the catalyst (Pt). To this end, our objective was to develop doped SnO2 aerogels. In this study, SnO2 based-aerogels were successfully synthesized following an acid-catalyzed sol–gel route starting with metal alkoxides as precursors. Our materials have shown a very interesting airy morphology with among other a reasonable specific surface area (80–90 m2/g). Moreover, all Sb-doped aerogels exhibited significant improvement in electronic conductivity and reach a value of around 0.12 S/cm. Platinum nanoparticles were then deposed on the Sb doped SnO2 aerogel surface using three different methods. The method based on chemical reduction using a polyol route provided the best result in term of mass catalytic activity measured by RDE (Is = 32 mA/mgPt). This value is even higher than that of the reference electrocatalyst TEC10E40E (Is = 27 mA/mgPt). Sb doped SnO2 aerogel based MEAs have exhibited a very good durability at high potentials

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Le, Ninivin Céline. "Elaboration et validation de dérivés polyparaphénylène substitués sulfonés comme électrolyte solide pour piles à combustible à membrane échangeuse de protons." Poitiers, 2003. http://www.theses.fr/2003POIT2318.

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Abstract:

L'élaboration et l'évaluation de dérivés polyparaphénylène (PPP) sulfonés en tant qu'électrolytes solides pour pile à combustible constituent l'enjeu de ce travail. Les approches adoptées concernent les voies d'introduction de la fonction acide et leurs impacts sur les propriétés des matériaux ioniques obtenus. Trois PPP substitués par des chaînes latérales différentes ont été synthétisés et caractérisés. La post-sulfonation de deux polymères et le greffage d'un troisième par différents phénols fonctionnalisés ont été étudiés et ont permis l'obtention de copolymères ioniques aux propriétés variées. Cette approche de greffage est particulièrement originale dans le cas du phénol perfluoré sulfoné sur des polyaromatiques thermostables. Diverses caractérisations physico-chimiques (conductivité, perméabilité, tenue mécanique, conductivité et morphologie) mettent en avant des différences intéressantes entre les matériaux post sulfonés et greffés. Des relations entre structures et propriétés ont pu ainsi être observées et discutées. L'influence de différents paramètres lors de tests en pile (température de fonctionnement, épaisseur du matériau, acidité du copolymère) a également été étudiée. Les résultats obtenus désignent les polyparaphénylènes, et notamment le copolymère greffé perfluoré, comme des matériaux prometteurs pour les PEMFC. De plus, les tests en conditions réelles ont démontré une bonne cohérence avec les résultats des caractérisations physico-chimiques obtenues précédemment
The synthesis and the valuation of sulfonated derivated polyparaphenylene (PPP) as solid electrolytes for proton exchange membrane fuel cells consist of the stake of this work. The approaches adopted concern the methods of introduction of the acid group and their influence on the properties of the ionic materials. The synthesis and characterization of three different side chains substitued PPP were realized. The study of the post sulfonation of two polymers and the grafting of another one with different fonctionnalized phenols allowed the preparation of ionic copolymers with variables properties. This grafting method is particularly original in the case of sulfonated perfluorinated phenol with thermally stable aromatic polymers. Many physico-chemical characterization (conductivity, permeability, mechanical properties and morphology) show interesting differences between post sulfonated materials and grafted materials. Some relationship between structures and properties are observed and discussed. The role of many fuel cell tests parameters like temperature, membrane thickness, copolymer acidity, was studied. The results point out that polyparaphenylene, and especially the perfluorinated grafted copolymer, are promising materials for PEMFC application. More than, the results of fuel cell tests are in good agreement with the physico-chemical characterization

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Sailler, Sébastien. "Générateurs électrochimiques et stockages ilôtés (G. E. S. I. )." Grenoble INPG, 2008. http://www.theses.fr/2008INPG0178.

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Abstract:

Ce mémoire s’intéresse plus particulièrement à la conception d’un système hybride utilisant une pile à combustible. Le système hybride étudié dans ce travail esst composé d’un stack de pile à combustible de type PEMFC, d’une supercapacité et de convertisseurs continu-continu. La réalisation pratique de ce montage passe par une étape de conception durant laquelle, les modèles des sources (pile à combustible et supercapacité) doivent être étudiés afin de concevoir un système hybride répondant à un cahier des charges fixé
The aim of this study was to design and study a hybrid system consisting in a fuel cell (proton exchange membrane fuel cell), a supercapacitor, and power electronic D-DC converters. The first part of this work deals with design specifications and on the conversion structure. Then, we interest on possible models of the fuel cell and the super capacitor. This was carry out in order to obtain a model of the complete system which is enough simple to use in power electronic simulation. Then, we have simulated the entire system in order to study system stability and performances. We try to validate hybrid system perfomance in regards with design specification. Finally we realize the hybrid system demonstrator and study his performances

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Asset, Tristan. "Particules creuses peu expensives, durables et actives pour la réduction de l'oxygène dans le cadre d'une application en pile à combustible à membrane échangeuse de protons." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAI037/document.

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Abstract:

Cette thèse a pour but de discuter les mécanismes à l’origine de la for-mation, de l’activité pour la réduction de l’oxygène (ORR) et de la sta-bilité de nanoparticules (NPs) creuses à base de Pt supportées sur car-bone pour des applications en pile à combustible à membrane échan-geuse de protons (PEMFC). La formation et la croissance des NPs, syn-thétisées par une méthode dite ‘one-pot’, ont été étudiées par l’inter-médiaire de mesures microscopiques, électroniques et de diffraction, nous permettant ainsi de mettre en évidence les différentes étapes de la synthèse. Le procédé de synthèse a été étendu à différents métaux non nobles (M = Ni, Co, Cu, Zn and Fe) et à différents supports carbonés. L’activité supérieure des NPs pour l’ORR résulte (i) de la contraction du paramètre de maille induit par la présence du métal non-noble, (ii) de leur porosité ouverte et (iii) de la densité de défauts structuraux à la surface des NPs (rationalisée via COads stripping et analyse de Riet-veld). Les défauts structuraux se seront montrés plus stables que le mé-tal non-noble durant les tests de vieillissement accéléré
This thesis investigates the mechanisms driving the formation, the en-hanced activity for the oxygen reduction reaction (ORR) and the dura-bility of porous hollow PtM/C nanoparticles (NPs) for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) applications. The formation and growth of the NPs, synthesized by a ‘one-pot’ process, were discussed in the light of microscopic, in operando X-ray and electronic measurements, unveiling the different intermediate steps of the synthesis. The synthe-sis process was extended to different non-noble metals (M = Ni, Co, Cu, Zn and Fe) and to different carbon supports. The enhanced activity for the ORR resulted from (i) the contraction of the lattice parameter by the non-noble metal (the final NPs contains ca. 15 – 20 at. % of M), (ii) the open porosity and (iii) the density of structural defects at the surface of the NPs, rationalized by COads stripping measurments and Rietveld analysis. The non-noble metal was found to segregate faster than the structural defects during the accelerated stress tests

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Dalet, Corinne. "Gestion de l'eau dans un système pile à combustible pour traction automobile : transferts couplés dans un humidificateur membranaire." Thesis, Nancy 1, 2009. http://www.theses.fr/2009NAN10136/document.

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Abstract:

Ce mémoire présente une synthèse des travaux dont l'objectif est de résoudre la problématique de la gestion de l'eau dans un système Pile à Combustible de type PEM en utilisant un humidificateur externe. Une analyse des différents organes de la ligne d'air du système, et plus spécifiquement de l'humidificateur membranaire, est réalisée afin d'en déterminer l'architecture la mieux adaptée aux conditions opératoires. Cette étude passe par la description et la compréhension des transferts de matière et de chaleur au sein de l'humidificateur, à travers des approches aussi bien numériques qu'expérimentales. Le volet numérique comporte un modèle fin de transferts couplés à travers une membrane en Nafion. Associé à une analyse thermodynamique du système d'humidification, il permet de définir deux paramètres caractérisant respectivement les échanges de matière et de chaleur aussi bien en fonction des conditions d'entrée des fluides qu'en fonction des caractéristiques géométriques de l'échangeur. Ces paramètres s'avèrent être des outils de dimensionnement intéressants. Le volet expérimental permet d'évaluer les interactions entre une pile à combustible, l'humidificateur membranaire et les autres organes de la ligne d'air. Outre l'analyse de la réponse de chaque composant à une variation du courant délivré par la pile, les investigations ont permis de vérifier que les conditions opératoires du système sont compatibles avec la technologie d'humidification choisie
This report presents a synthesis of works carried out in order to solve the water management problematic in a PEM fuel cell system. An analysis of the different components of the system air line, and more specifically the membrane humidifier, is realized in order to determine the architecture allowing the optimal moisture content of air upstream the fuel cell whatever the operating conditions. This study involves the description and the understanding of coupled heat and mass transfers within the humidifier, through numerical and experimental approaches. The numerical section contains a model of coupled transfer through a Nafion membrane. Associated with a thermodynamic analysis of the humidifier, it allows to define two parameters characterizing respectively the mass exchanges and the heat transfers, according to the inlet conditions of the fluids or as well as to the exchanger geometry. These parameters turn out to be useful design tools. The experimental section allows to estimate the interactions between a fuel cell, the humidifier and the other air line components. Besides the analysis of components response to a current intensity variation, the investigations allowed to demonstrate that the operating conditions of the system is compatible with the chosen humidification technology

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Nguyen, Dinh An. "Modélisation dynamique du "coeur" de pile à combustible de type PEM." Thesis, Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2010. http://www.theses.fr/2010INPL035N/document.

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Abstract:

Étant une des nouvelles sources délivrant des énergies électrique et thermique décentralisées, les piles à combustible offrent une meilleure efficacité énergétique et des émissions réduites pour un développement durable. Ce mémoire est axé particulièrement sur l’étude des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), et sur les phénomènes physico-chimiques dont elles sont le siège. Un modèle 2D dynamique a été développé et résolu numériquement par la méthode des éléments finis au moyen du logiciel COMSOL Multiphysics. Les caractéristiques statiques et dynamiques simulées sont confrontées aux mesures effectuées sur un banc de test équipé d’une monocellule de type PEM de 100cm2 du laboratoire GREEN. Des études paramétriques, telles que l’influence des conditions opératoires, différentes sollicitations en courant, ont été simulées et expérimentées. Le comportement dynamique de la monocellule à un échelon de courant, et plus particulièrement à un couplage direct sur une capacité, a souligné l’importance du phénomène de la double couche électrique aux interfaces membrane/électrode dans la description précise des transitoires rapides. Enfin, la spectroscopie d’impédance, très répandue comme outil de caractérisation de la pile, a été mise en œuvre en simulation, permettant ainsi l’analyse des effets de cette méthode de mesure sur les grandeurs locales du cœur de pile
Being a new source of supplying electrical and thermal decentralized energy, the fuel cells offer better energy efficiency and reduced emissions for sustainable development. This thesis deals with the physicochemical phenomena that occur in a single cell of fuel cell proton exchange membrane. A 2Ddynamic model was developed and solved numerically by the finite element method using thesoftware COMSOL Multiphysics. The simulated static and dynamic polarization curves are confronted with measurements made on a 100cm² single cell test bench that belongs to GREEN Laboratory. Aparametric study, such as the influence of operating conditions, different stress current has been simulated and tested. The single cell dynamic behavior to a current step and more particularly to adirect connection to capacitor has underlined the importance of the electrical double layer phenomenon, located at the membrane / electrode interfaces, to describe precisely fast transients.Finally, spectroscopy impedance as a tool widely used to characterize the cell has been implemented in simulation allowing the analysis of the effects of this measurement method on the local parameters

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Yakisir, Dinçer. "Development of gas diffusion layer for proton exchange membrane fuel cell, PEMFC." Master's thesis, Université Laval, 2006. http://hdl.handle.net/20.500.11794/18765.

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Dissertations / Theses on the topic 'Pile à combustible à membrane échangeuse des protons'

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