Understanding of degradation mechanisms and quantification of performance losses in a Proton Exchange Membrane Fuel Cell during shut-down/start-up phases
Compréhension des mécanismes de dégradations et quantification des pertes de performances dans une Pile à Combustible à Membrane Echangeuse de Protons lors des phases d’arrêt/démarrage
Résumé
The Proton Exchange Membrane Fuel Cell is a promising "low carbon" technology to power electric vehicles. However, the shut-down and start-up phases have been identified as critical events because the existence of a transient H2|Air front on the anode side causes the circulation of internal currents leading to huge degradation reactions within the cathode catalytic layer. The performance and ultimately the lifetime of the cell are thus strongly altered. Although these degradation mechanisms have been studied at small scale, the implementation of mitigation strategies at stack/system scale remains insufficient to meet the lifetime requirements. This thesis is therefore interested in understanding the degradation mechanisms and quantifying the performance losses at the representative scale of a state-of-the-art cell design as a function of shut-down and start-up conditions. This is achieved through:- The development of accelerated aging tests emulating a realistic profile of the cathode potential during the start-up phase in a 100 cm² single cell with a state-of-the-art fluidic design and cell core. A sensitivity study has been performed to evaluate the respective impact of the maximum potential reached, the duration of the front, the gas humidity and the temperature on the performance losses. Post-mortem analyses have also been conducted to characterize the evolution of the physicochemical and electrochemical properties of the active layer in relation to the degradation mechanisms.- The transposition of the current by-pass mitigation strategies up to the short-stack scale. For this purpose, a series of tests has been developed to reproduce the start-up phase to compare two electrical architectures: the shunt resistance connection for the whole stack or for each cell individually. Local current density measurements have also been performed simultaneously to access the local and internal operation of the cells and thus to understand the differences in terms of protection of these architectures compared to the reference case without by-pass.
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons est une technologie « bas carbone » prometteuse pour alimenter les véhicules électriques. Cependant, les phases d’arrêt et de démarrage ont été identifiées comme critiques car l'existence d'un front H2|Air transitoire du côté anodique provoque la circulation de courants internes causant de fortes réactions de dégradation au sein de la couche catalytique cathodique. Les performances et in fine la durée de vie de la pile sont ainsi fortement altérées. Certes, ces mécanismes de dégradation ont été étudiés à petite échelle mais la mise en œuvre de stratégies d'atténuation à l’échelle pile/système demeure insuffisante pour répondre aux exigences de durée de vie. Cette thèse s’intéresse donc à comprendre les mécanismes de dégradations et à quantifier les pertes de performances à l’échelle représentative d’un design de cellule à l’état de l’art en fonction des conditions d’arrêt et de démarrage. Ceci passe donc par :- Le développement de tests de vieillissement accéléré émulant un profil réaliste du potentiel cathodique lors de la phase de démarrage en mono-cellule de 100 cm² avec un design fluidique et un cœur de pile à l’état de l’art. Une étude de sensibilité a été réalisée pour évaluer l'impact respectif du potentiel maximal atteint, de la durée du front, de l'humidité du gaz et de la température sur les pertes de performances. Des analyses post-mortem ont également été menées pour caractériser finement l'évolution des propriétés physico-chimiques et électrochimiques de la couche active en lien avec les mécanismes de dégradation.- La transposition des stratégies d'atténuation par dérivation de courant à l'échelle de l’empilement de puissance. Pour cela, une série de tests a été développée afin de reproduire la phase de démarrage pour comparer deux architectures électriques : la connexion de résistance de fuite pour l'ensemble de la pile ou pour chaque cellule individuellement. Des mesures locales de densité de courant ont été effectuées simultanément pour accéder au fonctionnement interne local des cellules et ainsi comprendre les différences en termes de protection de ces architectures par rapport au cas de référence sans dérivation.
Domaines
Génie des procédés
Origine : Version validée par le jury (STAR)