Дисертації з теми "Membrane échangeuse de proton"
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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.
Анотація:
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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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.
Анотація:
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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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.
Анотація:
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 santéThe 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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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.
Анотація:
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 statistiqueThe 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.
Анотація:
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 systèmeThe 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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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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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.
Анотація:
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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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.
Анотація:
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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Tran, Thi Bich Hue. "Gestion de l’eau dans les piles à combustible électrolyte polymère : étude par micro-spectroscopie Raman operando." Thesis, Montpellier, 2017. http://www.theses.fr/2017MONTT198/document.
Анотація:
Les performances et la durabilité d’une pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) sont directement liées à la répartition de l’eau dans l’assemblage membrane-électrode (AME), plus particulièrement dans la membrane électrolyte. L’optimisation de cette répartition de l’eau, homogène et suffisante, est donc indispensable pour obtenir de bonnes performances et une grande durabilité. La répartition de l’eau dépend d’une part des conditions de fonctionnement et d’autre part de la géométrie des canaux de distribution des gaz dans les plaques mono ou bipolaires. Cependant, l’effet de ces paramètres n’est pas encore entièrement élucidé malgré de nombreuses études réalisées.Dans ce contexte, la première partie de cette thèse se focalise sur l’effet des conditions d’humidification des gaz et de température de fonctionnement sur les performances et la distribution de l’eau dans une pile de configuration en serpentin. Les profils d’eau à travers l’épaisseur de la membrane au centre de la surface active sont enregistrés par spectroscopie Raman operando. Le lien entre la distribution de l’eau et les performances de la pile sera discuté. Dans la deuxième partie, les performances et la distribution de l’eau dans une pile de configuration en parallèle sont étudiées aux mêmes conditions de température appliquées pour la pile de configuration en serpentin. Les résultats obtenus nous permettent de comparer directement les comportements de ces deux configurations. L’origine des différences de leur répartition de l’eau et donc de leurs performances sera clarifiée. Dans la troisième partie, nous nous concentrons sur la répartition de l’eau dans le plan d’une pile en serpentin aux différentes température de fonctionnement. La pile est alimentée en contre-flux. Les profils d’eau dans l’épaisseur de la membrane sont enregistrés pour trois zones : entrée, centre et sortie. Nous traçons par la suite la répartition de l’eau sur les interfaces cathodique et anodique. Ces informations nous apportent une meilleure compréhension de la répartition de l’eau dans cette configuration ainsi que l’effet du mode d’alimentation des gaz en contre-fluxIn a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), the performance and the durability of the system is directly related to the water management in the membrane electrode assembly (AME), particularly in the membrane electrolyte. The optimization of the water repartition, homogeneous and sufficient, is therefore essential to obtain good performance and great durability. The water management in the membrane depends both on the operating conditions and the gas flow-field design. However, the effect of these parameters is not yet fully understood despite numerous studies.In this context, the first part of this thesis focuses on the influence of gas humidification and operating temperature conditions on the performance and the water distribution in a serpentine flow-field cell. The inner water profiles across the membrane thickness at the center of the active surface are recorded by Raman spectroscopy operando. The relationship between the water distribution and the performance of the cell will be discussed. In the second part, the performance and the water distribution in a parallel flow-field cell are studied under the same temperature conditions applied for the serpentine flow-field cell. The results obtained allow us to directly compare the behavior of these two configurations. The origin of their water distribution and performance differences will be discussed. In the third part, we focus on the distribution of water in the plane of a serpentine flow-field cell at different operating temperatures. The cell is powered in counter-flow. The inner water profiles in the membrane are recorded for three zones: inlet, center and outlet. We then trace the water repartition on the cathodic and anodic interfaces. This information gives us a better understanding of the counter-flow effect on the water distribution in the plane of the serpentine flow-field cell
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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.
Анотація:
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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Campagne, Benjamin. "Nouveaux copolymères fluorés porteurs de fonctions azole (imidazole, benzimidazole ou triazole) pour membranes pour piles à combustible (PEMFC) fonctionnant en conditions quasi-anhydres." Thesis, Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie, 2013. http://www.theses.fr/2013ENCM0006.
Анотація:
Ce travail de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux de recherche sur l'utilisation d'hétérocycles azotés pour l'élaboration de membranes échangeuses de protons pour piles à combustible de type PEMFC fonctionnant sous faible taux d'humidité relative (HR < 25 %) et à des températures allant jusqu'à 200 °C pour l'application automobile. Pour cela, trois nouveaux copolymères partiellement fluorés porteurs de trois groupements azole (imidazole, benzimidazole et 1H-1,2,4-triazole) ont été synthétisés et caractérisés. Ils ont ensuite été utilisés pour l'élaboration de membranes polymères (20 µm < épaisseurs < 100 µm) par mélange avec le s-PEEK. Ces membranes sont stables thermiquement jusqu'à 210 °C. Les trois séries de membranes ont été comparées et les meilleurs résultats de conductivité protonique ont été obtenus pour celles contenant le 1H-1,2,4-triazole (σ = 7,0 mS.cm-1, 140 °C, HR < 25 %). Les propriétés mécaniques de ces membranes ont été mesurées et ont montré des valeurs comparables à celles des principales membranes commerciales (de type Nafion®). Afin d'obtenir une meilleure structuration de ces membranes, une stratégie d'élaboration de pseudo réseaux semi-interpénétrés de s-PEEK dans un réseau polymère réticulé a été mise au point. Pour cela, de nouveaux terpolymères porteurs de groupements 1H-1,2,4-triazole et de groupements cyclocarbonate réticulables par la réaction cyclocarbonate / amine ont été synthétisés et caractérisés. Ces terpolymères ont été mélangés à du s-PEEK puis réticulés par une diamine pour former des pseudo réseaux semi-interpénétrés de faibles épaisseurs (20 µm < e < 60 µm) qui ont été caractérisés. Ces membranes à architecture pseudo réseaux semi-interpénétrés ont montré de meilleures propriétés mécaniques mais des valeurs de conductivité protonique légèrement inférieures à celles des membranes non réticulées. Enfin, les membranes réticulées ou non ont été dopées par l'acide phosphorique pour augmenter leurs valeurs de conductivité protonique. Des essais en mono-cellule de PAC de ces membranes dopées ont été effectués et ont montré de bonnes performances. Des estimations par extrapolations des résultats ont ensuite été effectuées à plus hautes températures (140 – 200 °C) et ont montré que les valeurs de conductivité protonique atteignent jusqu'à 210 et 250 mS.cm-1, à 180 et 200 °C, HR < 25 % (valeurs extrapolées). Ces valeurs extrapolées doivent être vérifiées par la réalisation de mesures de conductivité protonique à ces températures (140 – 200 °C)This work concerns the syntheses and characterizations of new proton exchange polymer membranes containing N-heterocyclic compounds for PEMFC working under low relative humidity (HR < 25 %) and temperatures up to 200 °C for automotive applications. Three new partially fluorinated copolymers bearing different azole compounds (imidazole, benzimidazole or 1H-1,2,4-triazole) as pendant groups have been synthesized and characterized. Then, they have been used to synthesize blend polymer membranes with s-PEEK (20 µm < thickness < 100 µm) that showed thermal stabilities up to 210 °C. These new families of membranes have been compared and highest proton conductivity values have been observed for 1H-1,2,4-triazole containing membranes (σ = 7,0 mS.cm-1, 140 °C, HR < 25 %). Mechanical properties and oxidative stability of these membranes have been assessed and showed similar values than main commercially available membranes. To improve membranes structuration, pseudo semi-interpenetrating polymer networks have been synthesized. Thus, original cross-linkable terpolymers bearing 1H-1,2,4-triazole and cyclocabonate functions as pendant groups have been synthesized and blended with s-PEEK as linear polymer to synthesize new polymers membranes (20 µm < thickness < 60 µm). Cross-linking has been carried from the cyclocarbonate/diamine reaction to get pseudo semi-interpenetrated polymer networks. Finally, both pseudo semi-interpenetrated polymer networks and uncross-linked membranes were doped by immersion in phosphoric acid solution to increase proton conductivity of these materials. Single cell fuel cell tests have been carried out and showed good performances. High temperatures (140 – 180 °C) proton conductivity values of these doped membranes have been estimated from extrapolation curves and reached up to 210 and 250 mS.cm-1, at 180 and 200 °C, HR < 25 %, respectively (extrapolated values). Proton conductivity values should be assessed at these targeted temperatures (140 to 200 °C)
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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.
Анотація:
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 conducteurConventional 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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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.
Анотація:
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 catalytiqueOne 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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Mezzi, Rania. "Contrôle tolérant au vieillissement dans des systèmes pile à combustible PEMFC." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2019. http://www.theses.fr/2019UBFCD031.
Анотація:
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 PEMFCThe 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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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.
Анотація:
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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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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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 réelThe 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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Carrère, Pierre. "Modelling and numerical simulation of water transfer in Proton Exchange Membrane Fuel Cells." Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0123.
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La gestion de l’eau dans les piles à combustible à membrane d’échange de proton (PEMFC) est une problématique principale pour assurer leur efficacité et leur durabilité. La couche de diffusion côté cathode est considérée comme l’un des composants critiques concernant cette problématique. Dans ce contexte, l’objectif principal de la thèse est d’améliorer la compréhension des mécanismes intervenants dans la formation et le transport de l’eau dans la couche dediffusion côté cathode. Pour ce faire, un modèle en réseau de pores d’injection mixte liquidevapeur (MIPNM) est développé. Ce nouveau modèle permet de simuler la formation et le transport de l’eau dans la couche de diffusion côté cathode sur une plus large gamme de conditions de fonctionnement de la pile (température, densité de courant et humidité relative dans le canal) qu’avec les modèles des travaux précédents. Différents régimes de formation et de transport del’eau sont identifiés et décrits. Dans une seconde partie, le travail de thèse se focalise sur l’impact du traitement hydrophobe de la couche de diffusion. Les couches de diffusion actuellement commercialisées sont rendues hydrophobes en déposant une couche de polytétrafluoroéthylène (PTFE) sur les fibres de carbones hydrophiles. Il a été observé que le revêtement peut être non uniforme sur des couches de diffusion neuves et que le revêtement peut se dégrader au cours dufonctionnement de la pile. L’impact de ces deux phénomènes sur la distribution de l’eau liquide et sur l’accès du gaz réactif jusqu’à la couche catalytique est étudié en utilisant le modèle MIPNM pour des réseaux à mouillabilité mixte. Dans une troisième partie, un travail visant à l’amélioration de l’efficacité des piles est réalisé. Le but est d’optimiser l’accès du gaz réactif jusqu’à la couche catalytique en modifiant la microstructure des couches de diffusion. Ce travail est réalisé en couplant le modèle en réseau de pore avec un algorithme génétique. En complément, la modification des propriétés de mouillabilité des couches de diffusion est étudiée dans le but d’améliorer l’accès du gaz réactif. Enfin, un modèle 1D de tout l’assemblage anode-cathode est développé pour prendre en compte à la fois les conditions de fonctionnement à la cathode et à l’anode. Ce modèle 1D est couplé au MIPNM afin d’évaluer l’impact des conditions de fonctionnement côté anode sur la distribution d’eau liquide dans la couche de diffusion côté cathodeWater management is considered as a key issue in order to improve Proton Exchange Membrane Fuel Cells efficiency and durability. One of the critical components regarding this issue is the athode Gas Diffusion Layer (GDL). In this context, the main goal of the PhD work is to improve the understanding of the mechanisms responsible for the liquid water formation and transport in the cathode GDL. To this end, a Mixed liquid-vapour Injection Pore Network Model (MIPNM) is developed. This new model enables one to simulate the liquid water formation and transport in the cathode GDL for a larger range of operating conditions (temperature, current density and channel relative humidity) than in previous works. Different regimes of water formation and transport are identified and described. In a second part, the PhD work focus on the impact of the GDL hydrophobic treatment. Currently commercialized GDLs are rendered hydrophobic by coating Polytetrafluoroethylene (PTFE) onto the hydrophilic carbon fibres. It has been reported that the coating can be nonuniform on fresh GDLs and also that the coating can be altered during the operation of the fuel cell. The impact of these two phenomena on the liquid water distribution and on the reactant gas access to the catalyst layer is studied using the MIPNM for mixed wettability networks. In a third part, a work aiming at the improvement of PEMFC efficiency is developed. The goal is to optimise the reactant gas access to the catalyst layer by modifying the microstructure of GDLs. This is performed by coupling the PNM with a genetic algorithm. In a complementary study, the improvement of the reactant gas access is studied through modifications of the GDL wettability properties. Finally, a 1D model of the whole anode-cathode assembly is developed so as to take into account both anode and cathode operating conditions. This 1D model is coupled with the MIPNM in order to assess the impact of the anode operating conditions on the liquid water distribution in the cathode GDL
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Castanheira, Luis Filipe Rodrigues. "Corrosion of high surface area carbon supports used in proton-exchange membrane fuel cell electrodes." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENI084/document.
Анотація:
Cette thèse est consacrée à l’étude des mécanismes de dégradation de noirs de carbone de forte surface spécifique (HSAC) utilisés comme supports d’électrocatalyseurs dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Nous avons montré que le mécanisme et les cinétiques de la corrosion électrochimique du carbone (COR) sont influencés par la présence d’ionomère Nafion®, la limite supérieure de potentiel électrochimique, la nature et le nombre de caractérisations intermédiaires présentes dans des tests de dégradation accélérés. En utilisant la spectroscopie Raman,il apparaît que la COR est sensible à la structure cristallographique des HSAC et procède plus rapidement sur les domaines désordonnés (carbone amorphe, cristallites de graphite présentant des défauts). Le taux de recouvrement en espèces oxygénées évalué par spectroscopie de photoélectrons X a été comparé à celui trouvé en intégrant l’intensité du pic quinone/hydroquinone (Q/HQ) envol tampérométrie cyclique. Finalement, une comparaison avec des matériaux carbonés ayant fonctionné pendant 12860 heures en PEMFC confirme nos principaux résultats et permet d’élaborer des stratégies pour atténuer les conséquences de la CORThis thesis investigates the degradation mechanism of high surfacearea carbon (HSAC) supports used in proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) electrodes. The structural and the chemical properties of different HSAC supports were established. The effectof the Nafion® ionomer used as a proton conductor, the gas atmosphere, the upper potential limit and the intermediate electrochemical characterizations used to monitor the changes ofthe electrochemical surface area during accelerated stress tests(ASTs) were investigated. The long-term physical and chemical changes of Pt/HSAC electrocatalysts were investigated insimulated PEMFC operating conditions. Using Raman spectroscopy, we showed that the COR is strongly structure sensitive and proceeds more rapidly on disordered domains of the HSAC (amorphous carbon and defective graphite crystallites) thanon graphitic domains. The coverage with carbon surface oxides was investigated with X-ray photoelectron spectroscopy and bridged tothe intensity of the quinone/hydroquinone (Q/HQ) peak monitored by cyclic voltammetry. Finally, the analyses realized on membrane electrode assemblies operated for 12,860h disclosed a perfect agreement between model and real PEMFC operating conditions, and confirmed the structural dependency of the COR kinetics
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Zhou, Daming. "Modeling and Multi-Dimensional Analysis of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2017. http://www.theses.fr/2017UBFCA011/document.
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Un des freins à la commercialisation de masse de la pile à combustible et notamment de la technologie à membrane échangeuse de proton vient de sa faible durée de vie due à la difficulté de contrôler le système sous certaines conditions. Pour pallier à ce problème, l’élaboration d’un modèle mathématique précis de la pile à combustible à membrane échangeuse de protons permettant d’observer les variables internes et l'état de la pile à combustible au cours de son fonctionnement permettrait le développement de la stratégie de contrôle du système.Cette thèse propose d’élaborer un modèle dynamique multi-physique complet pour la pile à combustible à membrane échangeuse de protons. Le modèle proposé couvre les domaines multi-physiques pour les caractéristiques électriques, fluidiques et thermiques. Dans ces deux derniers domaines, les phénomènes transitoires sont notamment pris en compte dans le modèle proposé, tels que les comportements dynamiques de la teneur en eau de la membrane de la pile et la température. Par conséquent, ce modèle peut être utilisé pour analyser les effets de couplage des variables dynamiques entre différents domaines physiques.Grace à ce modèle ainsi définit, un second modèle multi-physique bidimensionnel plus détaillé est également présenté. Le modèle proposé couvre les domaines électriques et fluidiques avec une approche de modélisation 2-D innovante. Les distributions spatiales de quantité physique dans le domaine électrique peuvent ainsi être obtenues. Par conséquent, ce modèle 2-D PEMFC peut être utilisé pour étudier les influences des paramètres de modélisation sur la prédiction de performance multidimensionnelle locale. Une étude expérimentale est effectuée pour valider le modèle 2-D proposé avec une pile commerciale PEMFC Ballard NEXA de 1,2 kW.Dans un second chapitre, une analyse des phénomènes dynamiques est réalisée en fonction du modèle dynamique multidisciplinaire développé en s’appuyant sur la méthode RGA (gain relatif) pour diverses variables d'entrée de contrôle, afin d'analyser quantitativement les effets de couplage dans différents domaines physiques. L’étude s’intéresse entre autre aux interactions de la teneur en eau et de la température de la membrane. L'analyse de couplage présentée dans cette thèse peut aider les ingénieurs à concevoir et à optimiser les stratégies de contrôle des piles à combustible, en particulier pour la gestion de l'eau et de la chaleur dans les systèmes de piles à combustible.Une deuxième analyse portant sur la sensibilité aux paramètres de l'étude est effectuée sur la base du modèle multidisciplinaire bidimensionnel développé. Ces résultats d'analyse de sensibilité globale fournissent des informations utiles pour la compréhension de la dégradation, le réglage des paramètres et la simplification du modèle des piles à combustible.Dans un troisième temps, le modèle proposé se décline dans un algorithme de résolution mathématique en temps réel basé sur un algorithme de matrice tri diagonal efficace (TDMA). Les résultats expérimentaux démontrent les possibilités pratiques du modèle 2-D proposé pour le contrôle en temps réel avancé des systèmes de pile à combustible avec un temps de calcul de la boucle de contrôle de l'ordre de la milliseconde. Le temps d'exécution du modèle peut être quadruplé par rapport aux algorithme séquentiels présent dans la littérature; garantissant ainsi des décisions et des actions de contrôle rapideBefore mass commercialization of proton exchange membrane fuel cell, the research on the design of appropriate control strategies and auxiliaries need to be done for achieving proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) optimal working modes. An accurate mathematical PEMFC model can be used to observe the internal variables and state of fuel cell during its operation, and could further greatly help the system control strategy development.A comprehensive multi-physical dynamic model for PEMFC is developed in chapter I. The proposed model covers multi-physical domains for electric, fluidic and thermal features. Particularly, the transient phenomena in both fluidic and thermal domain are simultaneously considered in the proposed model, such as the dynamic behaviors of fuel cell membrane water content and temperature. Therefore, this model can be used to analyze the coupling effects of dynamic variables among different physical domains.Based on the developed multi-physical PEMFC model, a full two-dimensional multi-physical model is further presented. The proposed model covers electrical and fluidic domains with an innovative 2-D modeling approach. In order to accurately describe the characteristics of reactant gas convection in the channels and diffusion through the gas diffusion layer, the gas pressure drop in the serpentine pipeline is comprehensively analyzed by fully taking the geometric form of flow field into consideration, such as the reactant gas pressure drop due to the pipeline sharp and U-bends. Based on the developed 2-D fluidic domain modeling results, spatial physical quantity distributions in electrical domain can be further obtained. Therefore, this 2-D PEMFC model can be use to study the influences of modeling parameters on the local multi-dimensional performance prediction. The simulation and experimental test are then performed to validate the proposed 2-D model with a commercial Ballard NEXA 1.2 kW PEMFC stack.In chapter II, analyses of dynamic phenomena step responses are conducted based on the developed multi-physical dynamic PEMFC model using the relative gain array (RGA) method for various control input variables, in order to quantitatively analyze the coupling effects in different physical domains, such as the interactions of membrane water content and temperature. Based on the calculated values of relative gain array, the proposed model can be considered as a fuel cell MIMO system, which could be divided into two independent control sub-systems by minimizing parameter coupling effects between each other. Due to the closely coupled parameters in the proposed first control sub-system, a decoupling control method is recommended to achieve optimized control results. The coupling analysis presented in this thesis can help engineers to design and optimize the fuel cell control strategies, especially for the water and thermal management in fuel cell systems
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Toudret, Pierre. "Compréhension et optimisation des couches actives de pile à combustible à membrane échangeuse de protons." Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2023. http://www.theses.fr/2023GRALI124.
Анотація:
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est un convertisseur électrochimique qui produit un courant électrique, de la chaleur et de l'eau à partir de l'oxydation de l'hydrogène et de la réduction de l'oxygène. Cette technologie performante et non émettrice d'émissions de gaz à effet de serre est un candidat prometteur pour réduire les émissions de CO2, en particulier dans les applications de transport lourd (camion, bus, ...). Les couches actives sont le siège des réactions électrochimiques et donc les électrodes de la PEMFC. Elles régissent les performances, le coût et la durabilité de la pile. Les couches actives sont des couches poreuses composées de particules de catalyseur nanostructurées et liées par un polymère conducteur de protons, l'ionomère. Elle est obtenue par séchage, après enduction, d'une encre constituée d'une dispersion des particules de catalyseur et d'ionomère dans un ou plusieurs solvants. Il a été démontré que le fonctionnement de la couche active dépend des paramètres de fabrication, tels que sa composition, le type de solvant de l'encre ou encore le procédé de dépôt et d'assemblage avec les autres composants de la PEMFC. Dans le cadre de cette thèse, la caractérisation structurale de l'ionomère dans la couche active permettra de mieux comprendre les liens se tenant entre sa fabrication et son fonctionnementThe Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is an electrochemical converter that produces electricity, heat and water from the oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. This efficient and greenhouse gas-free technology is a promising candidate for reducing CO2 emissions, particularly in heavy-duty transportation applications (trucks, buses, etc.). Catalyst layers are the seat of electrochemical reactions and thus the electrodes of the PEMFC. They determine the performance, cost and durability of the fuel cell. Catalyst layers are porous layers composed of nanostructured catalyst particles bound by a proton-conducting polymer, the ionomer. The catalyst layer is obtained by drying, after coating, an ink consisting of a dispersion of catalyst particles and ionomer in one or more solvents. It has been shown that the performance of the catalyst layer depends on manufacturing parameters such as catalyst layer composition, ink solvent type, deposition and assembly process with other PEMFC components. In this work, the structural characterization of the ionomer in the catalyst layer will provide a better understanding of the relationships between its fabrication and operation
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Yin, Liangzhen. "Intelligent control for performance optimization of proton exchange membrane fuel cell system." Electronic Thesis or Diss., Bourgogne Franche-Comté, 2023. http://www.theses.fr/2023UBFCA013.
Анотація:
Le système de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) a été considéré comme la nouvelle technologie de production d'énergie, car il présente l'avantage d'une densité de puissance élevée, d'une absence d'émissions, d'un rendement élevé et d'un démarrage rapide. C'est pourquoi cette thèse est consacrée à la recherche sur l'intégration du système, le contrôle des paramètres du système et l'optimisation des performances du système pour les systèmes PEMFC à cathode ouverte et à cathode fermée. Pour les systèmes PEMFC à cathode ouverte, la température de la pile est le facteur clé affectant la performance de sortie du système. Afin d'améliorer les performances de suivi dynamique de la température dans des conditions de changement de charge, un contrôle adaptatif inverse et une prédiction grise basés sur un contrôle adaptatif sans modèle sont proposés pour un contrôle optimal de la température du système. En outre, afin d'améliorer l'efficacité du système, une stratégie de contrôle de l'efficacité maximale basée sur l'optimisation de l'efficacité maximale et la commande prédictive généralisée par contrainte est proposée dans cette thèse. Pour le système PEMFC à cathode fermée, compte tenu de la non-linéarité existante et du fort couplage entre les paramètres de fonctionnement tels que la température de la pile et le taux d'excès d'oxygène (OER), une stratégie de contrôle multivariable à double boucle basée sur un contrôle adaptatif en mode glissant sans modèle MIMO est proposée pour la régulation de la température de la pile et du débit d'air du système PEMFC à cathode fermée. En outre, un banc d'essai de système PEMFC à cathode ouverte de 300 W et un banc d'essai de système PEMFC à cathode fermée de 5 kW sont établis. Toutes les stratégies de contrôle et d'optimisation des performances sont vérifiées sur le banc d'essai des systèmes PEMFC à cathode ouverte et à cathode ferméeProton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system has been considered as the new power generation technology as it has the advantage of high power density, zero emission, high efficiency, and fast start-up characteristics. Therefore, this thesis is devoted to researching system integration, system parameter trcking control, and system performance optimization for open-cathode and closed-cathode PEMFC systems. For open-cathode PEMFC system, the stack temperature is the key factor sffecting the output performance of the system. In order to improve the dynamic temperature tracking performance under load changing conditions, adaptive inverse control and grey prediction based model free adaptive control is proposed for optimal temperature control of system. Further, in order to enhance the system efficiency of system, a maximum efficiency control strategy based on maximum efficiency optimization and constraint generalized predictive control is proposed in this thesis. For closed-cathode PEMFC system, considering the existed nonlinearity and strong coupling between operating parameters such as stack temperature and oxygen excess ratio (OER), a dual loop multivariable control strategy based on MIMO model free adaptive sliding mode control is proposed for stack temperature and air flow rate regulation of closed-cathode PEMFC system. Moreover, a 300 W open-cathode PEMFC system test bench and a 5-kW closed-cathode PEMFC system tests bench are established. All the control strategies and the performance optimization strategies are verified on the established test bench of open-cathode and closed-cathode PEMFC systems
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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.
Анотація:
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 membraneThe 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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Woo, Sahng Hyuck. "Membranes composites acide perfluorosulfonique (PFSA)/argile pour un fonctionnement à faible humidité relative et haute température des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019PSLEM033.
Анотація:
Cette thèse introduit de nouvelles membranes électrolytiques pouvant fonctionner à faible humidité relative (inférieure à 50%) et à une température intermédiaire, c'est-à-dire 90°C voire au-delà. Plus spécifiquement, la thèse tire profit de l'hygroscopicité de la morphologie d’argiles naturelles, lasépiolite microfibreuse et l’halloysite tubulaire . Ces nanoargiles ont été intégrées à des suspensions de Nafion® ou Aquivion pour préparer des membranes composites. Elles ont été fonctionnalisées et prétraitées pour les rendre conductrices protoniques et améliorer leur compatibilité avec les matrices perfluorosulfoniques utilisés. Ces argiles ont d’abord été caractérisées avant leur incorporation dans la matrice polymère : ATR-FTIR (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier totale atténuée), Py-GC/MS (spectrométrie de masse par chromatographie en phase gazeuse à pyrolyse) et ATG (analyse thermogravimétrique). Les propriétés des nanoargiles prétraitées ont enfin été caractérisées par XRD (diffraction des rayons X) et EDS. Les membranes composites préparées ont ensuite été caractérisées pour la conductivité protonique, l'absorption d'eau, le gonflement, la résistance thermomécanique et la stabilité chimique. L'état de dispersion des argiles à l'intérieur de la phase de polymère a été observé par SEM/EDS (microscopie électronique à balayage à émission de champ / spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie). La stabilité chimique vis-à-vis de l'attaque radicale contre les membranes composites a été étudiée par mesure de la formation d’ions fluorure (F-). La conductivité protonique des membranes composites a également été calculée à partir des résistances mesurées dans dans une large gamme d'humidités relatives et de températures. Des mesures thermomécaniques par analyse mécanique dynamique ont montré que la morphologie allongée particulière des argiles choisies participe à l'amélioration des propriétés mécaniques des membranes composites tout en réduisant le taux de gonflement. Les performances en assemblage membrane électrodes ont été évaluées pour mettre en évidence l’avantage de la présence de ces nanoargiles dans les membranes composites en ce qui concerne l’humidité relative du gaz d’alimentation, la température de fonctionnement de la cellule et la perméation à l’hydrogène. Des résumés détaillés comprenant les principaux résultats ont été fournis au début de chaque chapitreThis thesis introduces novel electrolyte membranes which can be operated at low relative humidity (below 50%) and intermediate temperature, i.e., 90℃. More specifically, the thesis takes benefit from hygroscopicity of microfibrous SEP (sepiolite) and tubular HNT (halloysite). Changes in Nafion membrane properties with blending time were studied. Moreover, these nanoclays are functionalized and pretreated to make them proton conductive and to improve their compatibility with short-side-chain PFSA (perfluorosulfonic acid) composite membranes based on Aquivion. To begin with, functionalized and pretreated clay nanoparticles are characterized prior to incorporation in polymer matrix: ATR-FTIR (attenuated total reflection-fourier transform infrared spectroscopy), Py-GC/MS (pyrolysis gas chromatography mass spectrometry), and TGA (thermogravimetric analysis). Composites membranes have them been prepared and characterized for proton conductivity, water uptake, swelling, thermo-mechanical strength and chemical stability. The dispersion state of SEP and HNT inside polymer phase was observed using SEM/EDS (field emission scanning electron microscopy/Energy dispersive X-ray spectroscopy). The properties of pretreated nanoclays are characterized using XRD (X-ray diffraction) and EDS. Chemical stability regarding radical attack against composite membranes is clarified using Ion meter through fluoride ion (F-) analysis. Proton conductivity of composite membranes is also measured under condition of different relative humidity and temperature. Following this, it is demonstrated by DMA (dynamic mechanical analysis) results that the particular elongated morphology of SEPs and HNTs participates to improving mechanical property of the composite membranes with decreased swelling ratio. MEAs (membrane electrode assembly) performance are evaluated to understand the advantage of the presence of nanoclays in the composite membranes regarding the relative humidity of the feeding gas, the operating temperature of the cell, and the hydrogen crossover. Detailed abstracts including main results were provided at the beginning of each chapter
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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.
Анотація:
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 défautsFuel 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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Pasquini, Luca. "Ion - conducting polymeric membranes for electrochemical energy devices." Thesis, Aix-Marseille, 2015. http://www.theses.fr/2015AIXM4750.
Анотація:
La recherche vise à proposer des membranes pour des dispositifs électrochimiques capables d'atteindre le bon compromis en terme de conduction ionique, de stabilité et de longue durée de vie pour une haute efficacité.Nous avons réalisé des membranes échangeuses des protons, d'anions ou amphotères à base de polymères aromatiques stables fonctionnalisés. Des groupes sulfonique on été introduit sur la squelette du PEEK, des groupes d'ammonium sur le PEEK et le PSU ou le deux au même temps pour échanger ensemble des protons et des anions.L'optimisation continue des paramètres de synthèse, le choix des différents polymères et/ou des groupes de fonctionnalisation et l'amélioration des procédures et des traitements des membranes coulée, a conduit à de bons résultats en termes de conductivité ionique, sélectivité et stabilité.L'étude des principaux paramètres des membranes démontre une stabilité thermique entre 140 et 200 ° C selon la membrane sélectionnée, un comportement mécanique caractérisé par une résistance à la traction et un module d'élasticité élevée et un relativement faible ductilité, influencé par le niveau d’ hydratation de la membrane ou l éventuelle présence de cross-link. En optimisant le degré de fonctionnalisation et les types de groupes de fonctionnalisation, nous avons obtenu une accordable absorption d'eau, une conductivité ionique élevé pour différent ions (jusqu'à ≃ 3 mS / cm pour le polymère conducteurs des anions) et une perméabilité aux ions vanadium très faible (applications dans RFB) jusqu'à ≃ 10-10 cm2/min, ce qui est bien au-dessous des données typiques de la littérature et un paramètre très important pour applications technologiquesThe research aims to propose membranes for electrochemical devices alternative to the commercial ones able to reach the right compromise in term of good ionic conduction, stability and long life time for an high efficiency. We realized proton exchange, anion exchange and amphoteric membranes based on stable functionalized aromatic polymers (PEEK, PSU). We thus introduced sulfonic groups on a PEEK backbone to exchange protons or ammonium groups on PEEK and PSU to exchange anions. We also realized amphoteric membranes able to exchange at the same time both kinds of ions. The continuous optimization of synthesis parameters, the choice of different polymers and/or functionalization groups and the improvement of casting procedures and treatments of membranes, led to good results in terms of ionic conductivity, selectivity and stability.The study of the main parameters of the synthesized membranes demonstrates a thermal stability between 140 and 200°C depending on the selected membrane, a mechanical behavior characterized by a high elastic modulus and tensile strength and a relatively low ductility strongly influenced on the degree of hydration of the membrane as well as the eventual presence of cross-linking. Working on the degree of functionalization and the type of functionalizing groups, we obtained a tunable water uptake, an elevated ionic conductivity for different ions (up to ≃ 3 mS/cm for anionic conducting polymers) and a very low ion permeability (vanadium ions for RFB applications) down to ≃ 10-10 cm2/min, which is much below typical literature data for cation- and anion separation membranes and a challenge parameters for technological applications
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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.
Анотація:
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 AMEsRecovery 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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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.
Анотація:
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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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.
Анотація:
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 liquideThe 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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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.
Анотація:
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'ionsAnion 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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Fofana, Daouda. "Modélisation et conception d'électrode cathodique multicouche à faible quantité de platine et haute performance pour les piles à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC)." Thèse, Université du Québec à Trois-Rivières, 2013. http://depot-e.uqtr.ca/6975/1/030596129.pdf.
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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.
Анотація:
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
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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.
Анотація:
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 étudiésThe 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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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.
Анотація:
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 termeDefects 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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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.
Анотація:
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 performancesOrdered 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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Nandjou, Fredy. "Etude locale de la thermique dans les piles à combustibles pour application automobile. Corrélation à la durée de vie." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAI079/document.
Анотація:
L'un des principaux freins au développement des piles à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est lié aux phénomènes de dégradation des performances qui les pénalisent encore en termes de durée de vie. L'étude de ces phénomènes au niveau des composants de l’AME est un thème abordé aujourd'hui par de nombreuses équipes de recherche, mais une étude à une échelle d’un stack est nécessaire pour mieux comprendre les mécanismes en jeu. En effet, dans un stack les conditions de fonctionnement ne sont pas homogènes comme dans les cellules de laboratoire, notamment au niveau thermique. Ceci est particulièrement exacerbé dans les piles pour application automobile, dont la compacité contraint fortement la conception du circuit de refroidissement. De plus, les exigences en termes de démarrage à froid sont à prendre en compte, avec notamment la limitation de l'inertie thermique de l'empilement ou l'apparition d'hétérogénéités plus fortes pendant les phases transitoires.Ce travail de thèse se propose d'étudier l'effet d'hétérogénéités de température sur la performance d'une pile en application automobile et sa dégradation. L'étude est menée dans différentes conditions de fonctionnement: fonctionnement nominal, cyclage thermique et cyclage NEDC (New European Driving Cycles).Cette étude comporte une partie expérimentale, centrée sur des essais de vieillissement en pile et un travail sur le diagnostic électrochimique global et local. Elle est complétée par des expertises post-mortem des assemblages membrane-électrodes et des plaques testées. En parallèle, un travail de modélisation est mené pour relier les constatations expérimentales à une description des phénomènes en présence. L'influence du design des canaux de réactifs et de caloporteur sur le fonctionnement des piles est étudiée. Enfin, l’effet de la gestion thermique sur la dégradation des performances et sur la détérioration des composants de la pile est étudiéOne of the main challenges for Proton Exchange Membrane Fuel Cells development is the performance loss, which largely limits the durability. The study of the degradation phenomena of the different MEA components is a challenge addressed by many researchers, but a study at a stack scale is needed in order to better understand the ageing mechanisms. Indeed, in an industrial fuel cell the operating conditions are not homogeneous as for laboratory fuel cells, especially as regards thermal aspects. The heterogeneities are particularly emphasized for automotive fuel cells, because of the compactness constraint of the cooling circuit. Moreover, the requirements of cold start should be considered, as well as the inertial effects of the stacks and the increased heterogeneities during the driving cycles.In this work, the effects of the temperature heterogeneities and hot spots on the automotive fuel cell performances and degradations are investigated. The study is conducted in different conditions: nominal conditions, load/thermal cycling and New European Driving Cycles (NEDC).The work is composed of an experimental study, which consists of ageing tests on fuel cells and on-line diagnosis at both global and local scales. At the end of the tests, post-mortem analyses of the aged components are conducted. In parallel, a physic-based model is developed in order to predict the local temperature and humidity in the different components of the cell. Then, the impact of the reactive gases and cooling flow fields design on the thermal and water management of the cell is investigated. Finally, the experimental and modeling results are coupled in order to investigate the correlation between heat management, water management and degradations
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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.
Анотація:
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 liquideThe 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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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.
Анотація:
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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Tan, Chiuan Chorng. "A new concept of regenerative proton exchange membrane fuel cell (R-‐PEMFC)." Thesis, La Réunion, 2015. http://www.theses.fr/2015LARE0012.
Анотація:
Les travaux précédents trouvés dans la littérature ont mis l'importance sur la pile à combustible PEM ou électrolyseur PEM. Certains articles ont étudié également la pile à combustible réversible et le système d'alimentation en hydrogène par énergie solaire en intégrant à la fois la pile à combustible et électrolyseur. Contrairement à un « Unitised regenerative fuel cell (URFC)», notre conception a un compartiment individuel pour chaque système de PEM-Fuel Cell et d'electrolyseur-PEM et nommé Quasi - URFC. Grâce à ce nouveau concept, l'objectif principal est de réduire le coût de la pile à combustible régénératrice (RFC) en minimisant le rapport de surface superficielle géométrique du catalyseur de l'assemblage membrane électrodes (AME) des deux modes dans la cellule. D'ailleurs, nous visons également à construire un RFC plus compact, léger et portable par rapport à une pile à combustible ou l'électrolyseur classique. Ce travail de recherche est divisé en trois parties : la modélisation et simulation numérique, l'assemblage du prototype et le travail d'expérimentation. Quant à la partie de modélisation, un modèle physique multi-2D a été développé dans le but d'analyser les performances d'une pile à combustible à régénérée à trois-compartiments, qui se compose d'une piles à combustible et d'électrolyseur. Ce modèle numérique est basée sur la résolution des équations de conservation de masse, du momentum, des espèces et du courant électrique en utilisant une approche par éléments finis sur des grilles 2D . Les simulations permettent le calcul de la vitesse, de la concentration de gaz, la densité de courant et les distributions de potentiels en mode pile à combustible et en mode d'électrolyse, ainsi nous aider à prédire le comportement de quasi - RFC. En outre, l'assemblage du premier prototype du nouveau concept de pile à combustible à combustible régénérée a été achevée et testée au cours des trois années d'études dans le cadre d'une thèse. Les résultats expérimentaux de la 3 Compartiments R-PEMFC ont été prometteurs dans les deux modes, soit en mode piles à combustible et soit en mode d'électrolyseur. Ces résultats valideront ensuite les résultats de la simulation, obtenus auparavant par la modélisationThe past works found in the literature have focused on either PEM fuel cell or electrolyzer-PEM. Some of the papers even studied the unitised reversible regenerative fuel cell (URFC) and the solar power hydrogen system by integrating both fuel cell and electrolyzer. Unlike the URFC, our design has an individual compartment for each PEMFC and E-PEM systems and named Quasi-URFC. With this new concept, the main objective is to reduce the cost of regenerative fuel cell (RFC) by minimizing the ratio of the catalyst’s geometric surface area of the membrane electrode assembly (MEA) of both cell modes. Apart from that, we also aim to build a compact, light and portable RFC.This research work is divided into three parts: the modeling, assembly of the prototype and the experimentation work. As for the modeling part, a 2D multi-physics model has been developed in order to analyze the performance of a three chamber-regenerative fuel cell, which consists of both fuel cell and electrolyzer systems. This numerical model is based on solving conservation equations of mass, momentum, species and electric current by using a finite-element approach on 2D grids. Simulations allow the calculation of velocity, gas concentration, current density and potential's distributions in fuel cell mode and electrolysis mode, thus help us to predict the behavior of Quasi-RFC. Besides that, the assembly of the first prototype of the new concept of regenerative fuel cell has been completed and tested during the three years of PhD studies. The experimental results of the Three-Chamber RFC are promising in both fuel cell and electrolyzer modes and validate the simulation results that previously obtained by modeling
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Parra, Restrepo Julian. "Caractérisation des hétérogénéités de fonctionnement et de dégradation au sein d’un électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM)." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2020. http://www.theses.fr/2020LORR0044.
Анотація:
Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) représentent une technologie prometteuse pour répondre au besoin de stocker l’énergie provenant de sources renouvelables et intermittentes telles que le solaire et l’éolien. L’hydrogène vert produit par cette technologie peut répondre aux besoins des industries déjà consommatrices d’hydrogène ou être utilisé au sein de nouvelles applications comme les voitures à piles à combustible. Afin de continuer le déploiement des électrolyseurs PEM, il est nécessaire d’augmenter leur durée de vie et leur surface active unitaire. Hors sur de grandes surfaces actives, des hétérogénéités de fonctionnement liées à la distribution de gaz/eau, de courant et de température peuvent apparaître. L’objectif de ce travail est de caractériser les mécanismes de vieillissement et les hétérogénéités qui ont un impact négatif sur les performances de l’électrolyseur. Pour ce faire, une cellule segmentée permettant de mesurer les densités de courant et les potentiels locaux a été développée. Différentes couches poreuses en titane (PTLs) ont été caractérisées et leur influence sur le transport de charges électriques et de matière a été analysée. Cela a permis d’identifier des problèmes liés à la variation de leur microstructure le long de l’électrolyseur. De plus, un modèle décrivant la résistance de contact entre la couche catalytique et la PTL a été proposé. La température au niveau de la membrane a été estimée en utilisant une méthode innovante qui repose sur l’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique. Cette méthode a permis de caractériser les différences de température avec l’eau circulant dans les canaux entre l’entrée et la sortie de la cellule. Enfin, un protocole de vieillissement accéléré a été développé et l’influence de l’opération intermittente a été étudiée. Un seuil critique de potentiel qui accélère le vieillissement a été identifié et les récupérations de performances liées aux chutes de potentiels périodiques ont été caractériséesProton Exchange Membrane (PEM) electrolysis is among the best solutions to store energy from intermittent power sources such as solar and wind. The green hydrogen produced by this technology can meet the needs of industries that already consume hydrogen or can be used for new applications such as fuel cell cars. To continue the deployment of PEM electrolyzers, it is necessary to increase their lifetime and the active surface area of cells. By doing this, operating heterogeneities related to the distribution of gas/water, current and temperature may appear. This work aims to characterize the aging mechanisms and the heterogeneities that have a negative impact on the performance of the electrolyzer. A segmented cell for measuring local current densities and local potentials was developed. Different titanium porous transport layers (PTLs) were characterized and their influence on the transport of electrical charges and gas/water has been analyzed, which allowed identifying problems related to the variation of PTL microstructure along the electrolyzer. Also, a model describing the contact resistance between the catalyst layer and the PTL was proposed. The membrane temperature between the inlet and the outlet of the cell was estimated with an innovative method based on the electrochemical impedance spectroscopy. This method allowed characterizing the temperature differences with the water circulating in the channels as a function of current density. An accelerated stress protocol was developed and the influence of intermittent operation was studied. A critical potential threshold that accelerates aging was identified and performance recoveries linked to periodic drop of the cell potential were observed
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Zhang, Dacheng. "Contribution to prognostics of proton exchange membrane fuel cells : approaches based on degradation information at multiple levels." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAT003/document.
Анотація:
Dans le contexte de la transition énergétique, la pile à combustible devient l'une des sources d'énergie alternatives les plus prometteuses. Récemment, la recherche a mis l’accent sur les piles à combustible, et plus particulièrement sur celles à membrane échange de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell ou PEMFC) qui est l'une des meilleures candidates pour les applications stationnaires et transport. Même si cette technologie évolue constamment, elle n'est pas encore prête pour un déploiement industriel à grande échelle en raison de sa durabilité et de sa fiabilité limitées. Le "Prognostics and Health Management" (PHM) est une approche récente pour gérer et prolonger la durée de vie des systèmes. Les techniques de pronostic sont capables de fournir une estimation de l'état de santé (State of Health ou SOH) des piles à combustible et une prédiction de leur durée de vie résiduelle (Remaining Useful Life ou RUL) afin d’aider les fabricants à améliorer les performances et à gérer leur durée de vie de ces systèmes.Ce travail a pour objectif de développer de nouvelles méthodes d’estimation de la durée de vie adaptée à la complexité des systèmes PEMFC. En effet, ces systèmes sont multi-échelle et multi-physique, et présentent divers défis sont à relever:1. La définition du SOH pour construire un indicateur de dégradation.2. La coexistence de phénomènes de dégradation à la fois réversibles et irréversibles.3. La prise en compte des différentes causes de détérioration et des effets des conditions opératoires.Dans la première partie, nous effectuons une analyse bibliographique de l’utilisation du PHM pour les PEMFCs, dans le but de proposer une définition de SOH et de construire un indicateur de dégradation. Etant donné que les mesures PEMFC sont peu nombreuses, nous avons également exploré l'état de l'art sur les batteries au lithium, qui sont d'autres cellules électrochimiques.Dans la deuxième partie, nous développons un algorithme de pronostic basé sur le filtrage particulaire utilisant la mesure de puissance de la PEMFC. Les premiers résultats montrent que l'algorithme de pronostic est perturbé par la dégradation réversible existante. L’ambiguïté peut être levée en estimant la dégradation irréversible grâce à des tests de caractérisation, tels la spectroscopie d'impédance électrochimique (Electrochemical Impedance Spectroscopy ou EIS), appliquée de temps en temps. Nous proposons donc un algorithme de pronostic étendu et adapté, prenant en compte deux indicateurs : la dégradation de la puissance et le SOH estimé à partir de la caractérisation EIS. La performance de l'algorithme proposé est évaluée par différentes indicateurs de performance, et les résultats montrent l'intérêt de cette approche.Dans la troisième partie, les problèmes sont abordés d'un point de vue plus théorique. En effet, l’évolution de la dégradation d'un système est souvent corrélée à des covariables internes et externes qui sont généralement difficiles d'accès en raison des coûts de mesure élevés. Par conséquent, nous avons d'abord développé une approche comprenant des inspections en ligne de la covariable de dégradation à un autre niveau, puis nous avons proposé une approche d’estimation de la RUL basée sur un ensemble de modèles en utilisant différentes sources à différents niveaux. Les RULs prédites par les deux modèles sont agrégées dynamiquement sur la base des performances évaluées sur les données historiques. Par conséquent, la précision de la prédiction est améliorée car les inconvénients des deux modèles ont été surmontés en tirant parti de leurs avantages. Dans la dernière partie, le problème est étendu au pronostic multi-niveaux qui ouvre de nouveaux aspects pour la recherche future sur le pronostic et la gestion de la PEMFCIn the context of the energy transition, fuel cell becomes one of the promising alternative energy sources. Recently the spotlight is on fuel cell systems research, and more particularly on Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFCs) which is one of the best candidates for both stationary and transportation applications. Even if this technology is close to being competitive, it is not yet ready to be considered for a large scale industrial deployment because of its limited durability and reliability. Prognostics and Health Management (PHM) is a recent approach to manage and possibly extend life duration of technological systems. Prognostic techniques can provide an estimation of fuel cell State Of Health (SOH) and a prediction for their Remaining Useful Life (RUL) to help the manufacturers improving fuel cell performance and managing its lifespan.The objective of this work is to develop prognostic methodologies for the RUL prognosis adapted to the complexity of PEMFCs. Indeed, the PEMFC is a multi-scale and multi-physics system, and various challenges are faced:1. The definition of SOH to build a degradation indicator.2. The coexistence of both reversible and irreversible degradation phenomena.3. Taking into account different deterioration causes and effects of operating conditions.In the first part of our work, we conduct a state of the art analysis on PHM for PEMFCs, with the aim of proposing a SOH definition and building a degradation indicator for PEMFC prognosis purposes. And since PEMFC measurements are scarce, the state of the art on Lithium batteries, other electrochemical cells, is also explored.In the second part, we develop a particle filtering based prognostic algorithm for PEMFC, based on output power measurements. The first results show that the prognosis algorithm is disturbed by the existing reversible degradation. However, the irreversible degradation can be estimated thanks to characterization tests, such as Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), which is applied from time to time. We propose thus an adapted & extended prognostic algorithm to take into account both health indicators: the output power degradation and the SOH degradation estimated from EIS characterization. The performance of the proposed algorithm is evaluated by different prognostic performance metrics, and the results show the interest of this approach.In the third part, the problem is addressed from a more theoretical point of view. Indeed, a system's degradation behavior is often correlated with internal and external covariates which are usually difficult to access owing to expensive measurement cost. Therefore, we first developed a prognostic approach with online inspections on the degradation covariate at a different level, and then we propose an approach for RUL prognosis based on an ensemble of models using different sources at different levels. The RUL predictions of both models are dynamically aggregated on the basis of prognostic performance evaluated on a set of historical data. Consequently, the prediction accuracy is improved by overcoming both models' drawbacks and leveraging their strengths. In the last part, we extend the problem to multi-level prognostics and explore new possibilities, which open new aspects for future research on PEMFC lifetime prognosis and management
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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.
Анотація:
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 réaliséThe 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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Mrad, Christine. "Caractérisation ex-situ par RMN et IRM des transferts d'eau à l'interface membrane/électrode dans les piles à combustible PEMFC." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2023. http://www.theses.fr/2023LORR0358.
Анотація:
Dans le cadre de la transition énergétique durable, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont considérées comme des alternatives prometteuses aux moteurs conventionnels. Elles offrent une conversion efficace de l'hydrogène en électricité sans émettre de polluant. Néanmoins, pour espérer un large déploiement de ces systèmes il est indispensable de réduire leur coût et améliorer leur durabilité. C'est pourquoi le projet européen « ALPE : Advanced Low-Platinum hierarchical Electrocatalysts for low-T fuel cells », dans lequel s'inscrit cette thèse, vise à réduire le coût des PEMFC en diminuant la quantité du catalyseur de platine (Pt) utilisée dans leurs électrodes, ciblant une réduction de 1.5 à 2 fois par rapport à l'état de l'art de 2019. Le fonctionnement des PEMFC repose essentiellement sur les réactions électrochimiques se produisant sur les sites catalytiques de Pt, et le transport protonique est étroitement lié à l'état d'hydratation de la membrane électrolyte (l'eau servant de vecteur pour les protons). Ce travail de thèse a donc pour objectif d'étudier l'impact de la réduction de la quantité de Pt sur les phénomènes de transport de l'eau à travers les interfaces membrane-électrode/air. Afin d'atteindre cet objectif, des dispositifs et des méthodologies expérimentaux permettant l'analyse de l'interface membrane/électrode par spectroscopie et imagerie de résonance magnétique (RMN/IRM) ont été développés. Dans un premier temps, l'étude se focalise sur l'étude d'une membrane seule de type Nafion® (N1110). Une analyse in-situ permettant de visualiser l'impact de l'histoire hygrothermale de la membrane sur les propriétés de l'eau est présentée. De plus, des expérimentations sous différentes conditions d'humidité relative, d'un côté et de l'autre de cette membrane, démontrent la capacité de notre approche à quantifier les résistances au transport de l'eau à interface de la membrane en les découplant des effets diffusifs. En complément, une modélisation 1D en régime permanent de la diffusion de l'eau à travers l'épaisseur de la membrane permet de déterminer l'évolution du coefficient de diffusion mutuelle de l'eau. Pour compléter notre analyse, une séquence de mesure en acquisition partielle a été conçue pour minimiser le temps d'acquisition des profils d'eau dans la membrane, ouvrant la voie à une étude en régime transitoire. Enfin, une comparaison des résistances d'interfaces entre une membrane seule et une membrane avec électrode(s) permet d'évaluer l'impact de l'ajout d'un dépôt d'une électrode et celui d'une variation de quantité de platine, sur les phénomènes de transport de l'eau. Les résultats mettent en lumière qu'en régime transitoire, il n'y a pas de différences significatives entre une membrane seule et un assemblage membrane/électrode (avec une seule ou deux électrodes). Toutefois, il apparaît que la présence de l'électrode et la quantité de platine semblent avoir un impact sur l'évolution des résistances d'interfaces en fonction de l'humidité relative de l'air alimentant la membraneIn the context of sustainable energy transition, Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are considered promising alternatives to conventional engines. They offer efficient conversion of hydrogen into electricity without emitting pollutants. However, for the widespread deployment of these systems, it is essential to reduce their cost and improve their durability. This is the focus of the European project « ALPE: Advanced Low-Platinum hierarchical Electrocatalysts for low-T fuel cells », in which this thesis is situated. The project aims to reduce the cost of PEMFCs by decreasing the amount of platinum (Pt), catalyst used in their electrodes, targeting a reduction of 1.5 to 2 times compared to the state of the art in 2019. The operation of PEMFCs relies essentially on the electrochemical reactions occurring on the Pt catalytic sites, and proton transport is closely linked to the hydration state of the electrolyte membrane (water serving as a vector for protons). Therefore, the objective of this thesis is to study the impact of reducing the amount of Pt on the water transport phenomena across the membrane-electrode/air interfaces. In order to achieve this goal, experimental devices and methodologies for analyzing the membrane/electrode interface through spectroscopy and magnetic resonance imaging (NMR/MRI) have been developed. Initially, the study focuses on the examination of a single Nafion® membrane (N1110). An in-situ analysis that allows visualization of the impact of the membrane's hygrothermal history on the properties of water is presented. Furthermore, experiments under different relative humidity conditions on each side of the membrane demonstrate the capability of our approach to quantify interfacial resistances of water transfer while decoupling them from diffusive effects within the membrane. Additionally, a 1D steady-state model of the diffusion of water across the thickness of the membrane allows to determine the evolution of the mutual water diffusion coefficient. To complement our analysis, a partial acquisition measurement sequence has been designed to minimize the acquisition time of water profiles within the membrane, paving the way for a transient study. Finally, a comparison of interfacial resistances between a single membrane and a membrane with electrode(s) provides insights into the impact of adding an electrode deposit and varying the platinum loading on water transport phenomena. The results highlight that in transient conditions, there are no significant differences between a single Nafion® membrane and a membrane/electrode assembly (with one or two electrodes). However, it appears that the presence of the electrode and the amount of platinum seem to influence the evolution of interfacial resistances depending on the relative humidity (RH) of the air supplied to the sample
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Bouatia, Eloumami Souhail. "Développement de matériaux électriquement conducteurs pour les plaques bipolaires de piles à combustibles à membrane échangeuse de protons, PEMFC." Thesis, Université Laval, 2008. http://www.theses.ulaval.ca/2008/25545/25545.pdf.
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Sailler, Sébastien. "Générateurs électrochimiques et stockages ilôtés (G. E. S. I. )." Grenoble INPG, 2008. http://www.theses.fr/2008INPG0178.
Анотація:
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 fixéThe 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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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.
Анотація:
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 précédemmentThe 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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Straubhaar, Benjamin. "Pore network modelling of condensation in gas diffusion layers of proton exchange membrane fuel cell." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2015. http://oatao.univ-toulouse.fr/19261/1/Straubhaar_B.pdf.
Анотація:
A Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a device converting hydrogen into electricity thanks to an electrochemical reaction called reverse electrolysis. Like every fuel cell or battery, PEMFCs are made of a series of layers. We are interested in the gas diffusion layer (GDL) on the cathode side. The GDL is made of carbon fibers treated hydrophobic. It can be seen as a thin porous medium with a mean pore size of few tens of microns. A key question in this system is the management of the water produced by the reaction. In this context, the main objective of the thesis is the development of a numerical tool aiming at simulating the liquid water formation within the GDL. A pore network approach is used. We concentrate on a scenario where liquid water forms in the GDL by condensation. Comparisons between simulations and experiments performed with a two-dimensional microfluidic device are first presented for different wettability conditions, temperature distributions and inlet relative humidity in order to validate the model. A sensitivity study is then performed to better characterize the parameters controlling the water invasion. Finally, simulations are compared with in situ experimental water distributions obtained by X-ray micro-tomography as well as with experimental distributions from the literature obtained by neutron imaging.
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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.
Анотація:
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 membraneOne 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.
Анотація:
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.
Анотація:
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 constituantsThe 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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Ratieuville, Vincent. "Elaboration et caractérisation de nouvelles membranes thermostables pour application piles à combustible." Rouen, 2014. http://www.theses.fr/2014ROUES056.
Анотація:
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 pressionThe 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