Dans le cadre de la transition énergétique, la durabilité des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) représente un enjeu central pour leur déploiement à grande échelle. Cette thèse, menée dans le projet collaboratif HeMoWHy, a permis l’étude de l’influence des harmoniques de courant à haute fréquence, générées par l’électronique de puissance, sur les mécanismes de vieillissement des matériaux constitutifs des PEMFC. Dans un premier temps, les essais de vieillissement accéléré ont confirmé la forte sensibilité du catalyseur aux variations de potentiel. Les mécanismes de dégradation observés dépendent de la plage explorée : corrosion du support carboné à haut potentiel (1,0‑1,5 V/ERH) et croissance, agglomération et/ou coalescence des nanoparticules de platine à plus bas potentiel (0,6–1,0 V/ERH). En revanche, la membrane est relativement stable dans ces conditions. L’influence de la fréquence des variations de potentiel a mis en évidence que, pour des fréquences supérieures à 1 Hz, les transitions métal-oxyde du platine sont cinétiquement limitées. Afin d’évaluer l’effet spécifique des harmoniques, un signal sinusoïdal avec une densité de courant moyenne de 0,8 A·cm⁻² et une amplitude de 40 % crête-à-crête avec des fréquences allant de 0 Hz (référence à courant continu) à 10 kHz ont été appliquées sur des assemblages membrane-électrodes commerciaux (AME) de 25 cm² de PEMFC fonctionnant à basse température (80 °C) pendant 500 h. Les résultats indiquent que la dégradation du catalyseur reste similaire à celle observée en régime de courant constant. Une dégradation de la membrane a été détectée, mais sans preuve claire d’un lien direct avec les harmoniques, en raison de la faible robustesse des membranes testées et de la non-reproductibilité de certains essais. Les analyses post-mortem menées sur des AMEs de PEMFC fonctionnant à haute température (160 °C) soumis à des harmoniques de 20 kHz n’ont révélé aucun effet spécifique sur les mécanismes de vieillissement. Dans l’ensemble, les résultats tirés de ces travaux de thèse montrent que les harmoniques de courant à haute fréquence n’induisent pas de dégradation additionnelle des PEMFC, qu’elles fonctionnent à basse ou à haute température. Ces résultats seraient expliqués par l’effet filtrant de la double couche électrochimique, atténuant fortement les variations de potentiel pour des fréquences élevées (10 kHz). Ces conclusions ouvrent la voie à une simplification des architectures systèmes, notamment par la non-nécessité d’intégrer des dispositifs de filtrage dédiés aux harmoniques. |
In the context of the energy transition, the durability of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is a key challenge for their large-scale deployment. This thesis, carried out within the framework of the collaborative HeMoWHy project, investigated the influence of high-frequency current ripples, generated by power electronics, on the degradation mechanisms of PEMFC constituent materials. Accelerated stress tests first confirmed the strong sensitivity of the catalyst to potential variations. The observed degradation mechanisms depend on the potential range: carbon support corrosion occurs at high potential (1.0–1.5 V/RHE), while growth, agglomeration, and/or coalescence of platinum nanoparticles occur at lower potential (0.6‑1.0 V/RHE). In contrast, the membrane appeared relatively stable under these conditions. The effect of potential variation frequency showed that, above 1 Hz, platinum metal-oxide transitions become kinetically limited. To specifically assess the impact of harmonics, a sinusoidal signal with an average current density of 0.8 A·cm⁻² and a 40% peak-to-peak amplitude, with frequencies ranging from 0 Hz (direct current) to 10 kHz, was applied to commercial 25 cm² membrane-electrode assemblies (MEAs) of low-temperature PEMFCs (80 °C) for 500 h. The results indicate that catalyst degradation remains comparable to that observed under constant current conditions. Some membrane degradation was detected, but no clear evidence of a direct link to the harmonics could be established, due to the limited robustness of the membranes tested and the lack of reproducibility in certain experiments. Post-mortem analyses performed on high-temperature PEMFC MEAs (160 °C) subjected to 20 kHz harmonics revealed no specific impact on degradation mechanisms. Overall, the results demonstrate that high-frequency current ripples do not induce additional degradation in PEMFCs, whether operating at low or high temperature. This behavior can be explained by the filtering effect of the electrochemical double layer, which strongly attenuates potential variations at high frequencies (10 kHz). These findings pave the way for simplifying system architectures, in particular by avoiding the need for additional filtering devices dedicated to ripples. |