Dans un contexte de décarbonation des activités humaines et notamment du transport aérien, dont la contribution est encore estimée à 5% des émissions de gaz à effet de serre à ce jour, l’utilisation d’hydrogène vert et de piles à combustibles (PàC) est une alternative propre et durable pour la mobilité de demain. Parmi les différentes familles de PàC, la technologie à membrane échangeuse de protons fonctionnant à haute température (PEM-HT, 160-180°C) est envisagée pour des applications aéronautiques de par sa plus grande tolérance aux impuretés, sa plus grande chaleur valorisable et la suppression de la gestion de l’hydratation de la membrane, en comparaison aux PEM-BT. Le déploiement à plus grande échelle de ces technologies se heurte cependant à des contraintes de coûts et de durée de vie qui restent à améliorer.
Ces travaux s’inscrivent dans le projet PIPAA (Piles à combustible Pour Applications Aéronautiques), piloté par Safran Power Units (SPU), et s’intéressent notamment à l’impact des démarrages et arrêts (D/A) sur l’évolution des performances des PEM-HT. Afin de maîtriser les conditions de réalisation des D/A, des bancs de vieillissement ont été mis au point et un outil de pilotage automatique a été développé. Parallèlement au développement de prototypes PEM-HT par notre partenaire industriel, des protocoles distincts de D/A ont été définis et reproduits sur plusieurs générations de PàC lors de quatre campagnes d’essais. Des études ont été menées à partir des mesures issues de courbes de polarisation, de spectroscopies d’impédance électrochimique, de voltampérométries cycliques et de suivis de la corrosion du carbone afin de mettre en évidence des comportements particuliers en vieillissement. Enfin, des prospections ont été menées sur la modélisation dynamique des phénomènes fluidique, électrochimiques et thermique couplés lors des phases de D/A.
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In a context of decarbonisation of human activities and in particular air transport, whose contribution is still estimated at 5% of greenhouse gas emissions to date, the use of green hydrogen and fuel cells (FC) is a clean and sustainable alternative for the mobility of tomorrow. Among the different types of FC, the proton exchange membrane (PEM) technology operating at high temperature (HTPEM, 160-180°C) is considered for aeronautical applications due to its greater tolerance to impurities, its greater recoverable heat and the elimination of membrane hydration management, compared to low temperature PEMFCs (60-80°C). However, the larger scale deployment of these technologies comes up against cost and lifespan constraints which need to be improved.
This work is part of the PIPAA (Fuel Cells For Aeronautical Applications) project, led by Safran Power Units (SPU), and focuses in particular on the impact of starts-up and shutdowns (SU/SD) on the evolution of HTPEM performance. In order to control the conditions for carrying out SU/SD, aging benches have been developed and an automatic piloting tool has been developed. Along with the development of HTPEM prototypes by our industrial partner, separate protocols for start and stop phases were defined and reproduced over several generations of fuel cells during four test campaigns. Studies have been carried out from measurements taken from polarization curves, electrochemical impedance spectroscopies, cyclic voltammetry and carbon corrosion monitoring in order to highlight specific aging behaviours. Finally, prospecting was carried out on the dynamic modelling of fluidic, electrochemical and thermal phenomena coupled during SU/SD phases.
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