La transition vers des solutions de mobilité électrique basées sur les piles à combustible constitue un levier important de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, la durabilité des piles à combustible PEM basse température (PAC PEM-BT) demeure un enjeu majeur pour leur déploiement à grande échelle. Dans les systèmes embarqués, l’énergie électrique produite par la pile est généralement transmise à la charge via un convertisseur statique de puissance, susceptible d’imposer des ondulations de courant à haute fréquence au stack. L’impact de ces harmoniques sur le vieillissement des piles à combustible reste aujourd’hui insuffisamment caractérisé dans la littérature, notamment en ce qui concerne les mécanismes de dégradation associés et leur vitesse d’apparition. De plus, les données expérimentales disponibles sur des campagnes de vieillissement longues et répétées demeurent limitées, et les modèles prédictifs intégrant explicitement les ondulations de courant sont encore rares.
Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’impact des ondulations de courant haute fréquence sur la durabilité des stacks PEM-BT et de comparer l’évolution de leurs performances lorsqu’ils sont soumis à un courant constant ou à une ondulation de courant. Les travaux visent notamment à déterminer si les harmoniques générées par des convertisseurs de puissance de type Boost, très fréquemment associés aux PAC PEM-BT, sont susceptibles d’accélérer le vieillissement des stacks PEM-BT. Un second objectif a consisté à mettre en œuvre une procédure d’assemblage et d’encapsulage reproductible d’assemblages membrane-électrodes (AME) dans des boîtiers monocellule dédiés aux PAC PEM-BT.
Pour répondre au principal objectif de la thèse, plusieurs campagnes expérimentales de vieillissement ont été réalisées sur des stacks PEM-BT fournis par la société Alstom Hydrogène. Chaque campagne comprend un essai de référence à courant constant et un essai sous ondulations de courant sinusoïdales. Les essais sous harmoniques ont été conduits à une fréquence de 10 kHz, représentative des convertisseurs Boost, avec une amplitude d’ondulation de 20 % du courant moyen. L’analyse du vieillissement repose sur le suivi d’indicateurs électrochimiques issus de différentes techniques de caractérisation, permettant d’identifier l’évolution des performances du stack et les mécanismes de dégradation associés.
Enfin les résultats obtenus visent à évaluer la nécessité de dispositifs de filtrage des harmoniques de courant dans les architectures électriques intégrant des piles à combustible. Une telle décision revêt une importance particulière dans le domaine aéronautique, où les contraintes de masse, de volume et de rendement énergétique sont déterminantes pour la conception de systèmes à faible impact environnemental.
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The transition to electric mobility solutions based on fuel cells is a key driver for reducing greenhouse gas emissions. However, the durability of low-temperature proton exchange membrane fuel cells (LT-PEMFCs) remains a major challenge for their large-scale deployment. In on-board systems, the electrical energy produced by the fuel cell is generally transmitted to the load via a static power converter, which can impose high-frequency current ripples on the stack. The impact of these harmonics on fuel cell ageing remains insufficiently characterised in the literature, particularly with regard to the associated degradation mechanisms and the rate at which they occur. Furthermore, available experimental data from long-term and repeated ageing campaigns remain limited, and predictive models explicitly incorporating current ripple are still rare.
In this context, the main objective of this thesis is to study the impact of high-frequency current ripple on the durability of PEM-BT stacks and to compare the evolution of their performance when subjected to a constant current or to current ripple. In particular, the work aims to determine whether the harmonics generated by boost-type power converters, which are very frequently associated with PEM-BT fuel cells, are likely to accelerate the ageing of PEM-BT stacks. A second objective was to implement a reproducible assembly and encapsulation procedure for membrane-electrode assemblies (MEAs) in single-cell housings designed for PEM-BT fuel cells.
To address the main objective of the thesis, several experimental ageing campaigns were carried out on PEM-BT stacks supplied by Alstom Hydrogène. Each campaign included a constant-current reference test and a test under sinusoidal current ripple. The harmonic tests were conducted at a frequency of 10 kHz, representative of boost converters, with a ripple amplitude of 20% of the average current. The ageing analysis is based on the monitoring of electrochemical indicators derived from various characterisation techniques, enabling the identification of changes in stack performance and the associated degradation mechanisms.
Finally, the results obtained aim to assess the need for current harmonic filtering devices in electrical architectures incorporating fuel cells. Such a decision is of particular importance in the aeronautical sector, where constraints relating to mass, volume and energy efficiency are decisive for the design of systems with low environmental impact. |