Développement de couches de diffusion de piles PEMFC pour un fonctionnement à faible humidité relative, Development of PEMFCs Gas Diffusion Layers operating at low relative humidity

De
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Sous la direction de Georges Berthoud
Thèse soutenue le 21 avril 2011: Grenoble
Afin de favoriser la commercialisation à grande échelle des piles à combustible PEMFC, de nombreuses études sont menées dans le but de réduire les coûts et d'augmenter la durée de vie tout en améliorant les performances et de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu. Cette étude se concentre sur le développement de couches de diffusion pour un fonctionnement à faible humidité relative, en particulier sur l'influence de la structure du support de diffusion sur les performances. Grâce à un procédé de fabrication différent de ceux utilisés pour les produits actuellement commercialisés, la structure des supports est plus aisément modifiée. Ainsi, selon les paramètres de fabrication choisis, les propriétés physico-chimiques associées donnent accès à des niveaux de performances différents. Le modèle d'analyse mis en place permet d'expliquer ces différences observées. Par conséquent, il permet de relier les paramètres de fabrication aux propriétés physiques et aux performances en pile.
-Couches de diffusion
-Pile PEMFC
-Structure
-Performance
-Diffusion
-Faible humidité relative
To help PEMFC development and large scale commercialization, several studies deal with reducing costs and increasing durability while trying to improve performances and to understand physical phenomena involved. This study focuses on developing gas diffusion media which operates at low relative humidity, more particularly it deals with the influence of the structure of gas diffusion media on performances. Thanks to a process different from those used for currently commercialized gas diffusion layers, the structure of the media is more easily modified. According to the manufacturing parameters chosen, different physical and chemical properties will be obtained and thus different performances. A model is used to help analyze these differences and consequently allow the link between manufacturing parameters and physical properties and performances.
-Gas diffusion layer
-PEMFC
-Structure
-Performance
-Diffusion
-Low relative humidity
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI025/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Mécanique des Fluides, Energétique, Procédés
Arrêté ministériel : 7 août 2006


Présentée par
Jenny JONQUILLE


Thèse dirigée par Georges BERTHOUD et
codirigée par Didier JAMET et Joël PAUCHET

préparée au sein du Laboratoire de Composants pour Pile à
combustible et Electrolyseurs et de Modélisation
dans l'École Doctorale Ingénierie – Matériaux Mécanique
Energétique Environnement Procédés Production

Développement de couches de
diffusion de piles PEMFC pour
un fonctionnement à faible
humidité relative

Thèse soutenue publiquement le 21 avril 2011,
devant le jury composé de :
M. Yann BULTEL
Professeur, INP Grenoble, Président
M. Marc PRAT
Professeur, INP Toulouse, Rapporteur
M. Christophe COUTANCEAU
Professeur, Université de Poitiers, Rapporteur
M. Joël PAUCHET
Ingénieur de recherche, CEA Grenoble, Co-directeur, Examinateur
M. Jean-Marc SENECOT
Ingénieur de recherche, HEXCEL Reinforcements, Industriel, Examinateur
M. Arnaud MORIN
Ingénieur de recherche, CEA Grenoble, Examinateur
M. Didier JAMET
Ingénieur de recherche, CEA Grenoble, Invité
M. Serge BESSE
Ingénieur de recherche, HELION, Co-directeur, Invité
tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011eAetmamaman.trtendr?sch?re
tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011.T.able.des.ma.ti?res.Remer.c.iementsI.3.b-ii.2xxvii.Intr.oduction.g?n?rale.1.I.Positionnement.du.sujet.-prEt.a.t.de.l.'arpt.des.couches.dehargemendiffusionupp3.I.1c?d?Intr.oduction..e...........Conductivit?...........Mouillabilit?...Inuence...........de.....p...ss?s.......papiers.........fabrication....4.I.2.G?n?ralit?sFsur?t?sla.pile.?16combustible.?.membrane.?changeuseede.pr.otonsI.3.c-iii.......19.................de...I.3.e.........Traitement.......23.........I.4.b.olym?re.....I.3.b-ii.non........5.I.2.a.G?n?ralit?sI.3.b-ii.1etfabricationprincipcarbe.de.fonctionnemen.t..........c?d?.feutres.one...............16.et.p....5.I.2.b.Description.de.laConductivit?pile.?.com.bustible.PEMF.C17.ermiq.............erm?abilit?...............Diusion..6.I.2.c.V.errous.scien.tiques.et20tec.hnologiques.?.lev.e.r....21.supp.sur.en.......................28ophobeI.2.d.Probl?matique.par.rapp.ort.?.la.gestionM?thode?tl.'eau..............du.en.sur.en.25.....14.S9ortsI.2.etiEnjeux.du.d?v.elopp.emen.t.des.couc.h.e.s.de.diusion15.Pro.de.des.de.one..................10.I.2.f.Enjeux.d.u.d?v.elopp16emenProtdedesdessuppdortscarbde.diusion...........................12.I.2.gI.3.cConclusionsonctions.principales.o.ri.........................I.3.c-i.?lectrique.......................I.3.c-ii.th.u........1.2.I.3.F.abrica.tion.et.princip18alesPpr.opri?t?s.des.suppor.ts.de.diffusion.commer.cia.ux............I.3.c-iv.................................I.3.c-v............................13.I.3.aI.3.dFibredesdeortscarbdiusiononelesPerformancesANpileet.pro.c?d?.de21fabricationConclusions..............................13.I.3.b.F2abricationI.4deshydrsupp.orts.de.diusion.commerciaux......................I.4.a.de.d?p..14.I.3.b-i.Supp.orts.tiss?s......................23.Inuence.c.t.p.uor?.les.erformances.pile....
tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011etvietaT.A.BLEI.4.dDESdesMA.TI?RES.I.4.cCELConclusions..I.3..b-i...............de.t.......zones...en...-...........Disp.l'h...p.reuden.......osition....28.I.5.Coucheb-iimic.r.oporeuse..........cellule.......en.......I...olarisation...I.4.c.....4.......Positionnement.de.supp.I........28.I.5.a.Intt?r?tdede.la44couc.he.microp.oreuseI.ons...I.la...I.aiguillet?es...46.........I.........Descriptio.conditions.....re29.I.5.b.Inuence.du-c.hargemen.t.enIpConditionsolym?re.uor?.de.laaclaouc.heCourbmicrop.oreuse.sur.les.porterformancesreproen.pilede...52.endance...............de.a.Freudenber.I.5.a.ydrophob...PTFE.b...I.........f.......4430EtalemI.5.csupInuencelamenduonec.hargemen.t.enI.3.bcarbd'aiguilletagone.dans.la.couc.he.microp45oreuse3surdeslesd'aiguilletagep.erformances.en45pile3.ductibilit?.de.......Qualication.men.........I.3.d...................Perf................31II.5.ddeEettestdu?ratoiresnoir.de.carbIone.utilis?Arc.la...........I...Assem.................-.?ratoires...........49324I.5.eivInuencetdeela.m?tho.deIdedefabrication.et.de.d?p.?t......51.du.r?f?rence.Essais...I...-.ductibilit?......33II.5.fc-iiConclusionsfonction.relativ.....56...................I.suppor.HEX.rappor.suppor.commer.s?rie.57.sur.non.-.erg...Eet.?.F.H2315T10A.......Conclusions..34.I.6.Conclusions..........60.abrica.ion.............I.a.en.ou.erp.des.ts.carb...............I.Choix.param?tres.e............34.I.I.Suppor.ts.deIdiffus.ion.HEXChoixCELb-param?tresF.abrica.tion.et.perf.ormances.duIsuppor.t.deRepror?f?rencede-qualit?Compl'aiguillager.ais.on.a.vec46lesI.3.cperfdesormancescorrectedutFreudenber.g.H2315.37.I.I.1.Intr.oduction..I.Conclusions...................................47.I.4.ormances.pile............................38.I47I.2I.4.aPrnoc?d?ladedefetabricaoption.des.suppor.ts.de.diffusion47HEXICE4La.i.hitectu.de.cellule38.I.I.2..a.F.abrication.d'un.pli.de.carb.one47.I.4.a.ii.blage.pile.........................49.I.4.a.iii.op38.I.I.2..b.F.abrication.d'une.napp.e.de.carb.one..I.....-.D?marrage.conditionnemen.de.cellul...........50.I.4.b.es.p..........39.I.I.2..c.Pro.c?d?.d'aiguilletage........I.Exemple.supp.de.HEX.-.de.ductibilit?...52.I.4.c-i.ersion.Essais.repro...............I.....T40enIdeI.2.umidit?deD?sensimage..........I.Conclusions...................................56.I.5.du.t.r?f?rence.CEL.ar.t.u.t.diffusion.cial42gIH2315I.2..eIConclusionsComparaison.des.orts.h.es.F.b.H2315...57.I.5.b.du.?.l'ano.-.reuden.erg.............59.I.5.c......................44.I.I.3.Difficul.t?s.rencontr?es.lors.dela
tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011rev

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tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011Eviii.TdeABLEst?cDESectivMA.TI?RESIV.3.dIIV.4.bIortI.5.c.Repro.ductibilit?.deserformancesmesuresmonop.....de.............IV.3.a.......137........................100.I.I.I.6.Disc.ussionffeta.utour.du.suppor.tProtode.r?f?rence.HEX.CELIV.3.c-i...de.....de.138....101ariaI140I.I.6.a.Surtensionded'activ140ation.cathopdique....d'activ.....Conclusions...................P...........ge....103.I.I.I.6.b.P.ertes.ohmiques.ettalp.ertes.par.transpReproort......sta.constan...ration.ort.........ec...............'?p103deI.I.I.6.c.Quelques.limitations.du.mol'?paisseurd?le.d'analyse..es....IV.4.d.supp...R?sistances...........IV.4.d-iii............104.I153IgeI.7.Comp.araison.aMotivvec.un.suppor.t.de.diffusion.commer.c.ial.:133Freu-rsdenber.g.H2315..............IV.3.drap...................ations.................135.exp...............135105desIpilI.I.7.a.I.n.ue.ncecdutPTFEiom?.?.l'ano.deCong-suppComparaisonparH2315la/.H2315.et.H2315T10.A./.H2315....a.supp.de.......Conclusions.................138.de.-.du.......Motiv...................dication.supp....105.I.IPI.7.bsuppAv.an.tage.du.suppdeortesHEXdeCEL-.Comparaison144H2315./.H2315.et.supp.or.tIV.4.d-iidecathor?f?rence.HEX.CEL....de...........152...................E.'aiguillet...............154......10.9.I.I.I.8.Conclusions..154.....................IV.2.f.e.p.es...................................134.E.du.a....115.IV.Modifica.tion.et.optimisa.tion.des.su.ppor.ts.de.diffusion.HEX.CEL.117135IV.1MotivIntr.oduc.tion................................IV.3.b.cole.?rimen...............................IV.3.c.ductibilit?.p.en118eIV.2.Traitement.hydr.ophobe.p.ar.greff.a.ge.?lectr135ochimiqueD?bit.on.n.ou.h.?trie.te..120.IV.2.a.Motiv.ations..IV.3.c-ii.u.du.ort.diusion.rapp.?.plaque.olaire.............................137.Comparaison.v.le.ort.diusion.r?f?rence..........120.IV.2.bIV.3.eProto.cole.exp.?rimen.tal............................IV.4.ffet.l.aisseur.V.tion.nombre.plis...........IV.4.a.ations..120.IV.2.c.P.erformanc.es.du.supp.ort.de.r?f?rence.gre?............140.Mo.de.du.ort.diusion............122.IV.2.dIV.4.cAnalyseerformancdedusortpdiusionerformanc?paisseures.du.supp.ort.de.r?f?rence.gre?..141.Analyse.s.erformanc.du.ort.diusion.?paisseur......12.6IV.4.d-iIV.2.d-iohmiquesR?sistances.ohmiques....................144.Surtensions.ation.dique...............149.Surtensions.transp126.IV.2.d-ii.Surtensions.d'activ.ation.catho.dique..........IV.4.e....................131.IV.2.d-iii.P.ertes.par.transp.ort....IV.5.ffet.l.a...............................IV.5.a.ations....133.IV.2.e.Conclusions............................
tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011.T.ABLE.DESduMA.TI?RES.ix.IV.5.b.Supp.ort.d.e.diusion..sans.aiguilletage.du.......util...sup-...........%.........Etude....1.54.IV.5.b-i.F.abrication.dud'activsupp.ort.supporsansetaiguilletaged'ar.-deProto.cole.ex-.p.?rimen.tal..198.t......./.........193.r?f?rence.oductibilit?.........des.......ests.........aram?tres.le.dique..154.IV.5.b-ii.Comparaison.desPpHEXerformancesgdesH2315suppEortsonide.r?f?rence.198sans.aiguilletage..et.desimple.aiguilletage.....s.........des.r?f?rence.a155d'humidit?IV.5.c.Supp.ort.de.diusion.gdouble0Aaiguill.etage...............Perf.t.CEL.re-................158.IV.5.c-iCFr?alis?sabrication.du.supp.ort..double.aiguilletageC.a.-.P.roto.cole.exp.?rimen.tal....C.b.T.p.des.ca-...................195.ormances.de.et.ts./.5T10A.....du.d....158.IV.5.c-ii.Compara.i.sonPrincipdessynp.erforma.n.c.es.des.supp.ortsE.bpdouble.ai-.guilletage..et..simple.aiguilletage.E.c.on.................Comp.orm.t.du.diffusion158?IV.5.c-iii80Analyselad.es.p.erformances.des.supp.orts.de.r?f?rence.:.199doubH2315T10AleH2315T1aiguilletage..et..simple.aiguilletage...........................B162ormancesIV.5.c-ivsupporAnalysededesHEXp-erformancesdedesprsu.pp.orts..?paisseur..:..double.aiguilletage..et..simple.aiguilletage.......194.Synth?se.essais................165.IV.5.d.Supp.ort.d.e195diusionTder?alis?smauv.aise.qualit?.d'aiguilletage.......................169.IV.5.d-i.V195alidationPqualidetaafeltiis?svourecalculdesurtensionsl'aiguilletageation.tho........................169.IV.5.d-ii.Cas.du.su.pp.ort.deDr?f?renceerfdusimpletaiguilletager?f?renceCEL.des.por.Freudenber.H2315.H2315170H231IV.5.d-iii/Cas.d.u.supp197ortSynth?sedeselr?f?renceyleiazdoubleumaiguilletage............171.IV.5.e.Conclusions....E.a.e.la.th?se.............................198.Mo.o.?ratoire........................175.IV.6.C.onc.lusions198.Caract?ri.ati...................................F.araison.perf.ances.suppor.de.et.suppor.de.orient.tion.30.et.%.re-.tive......177.Conclusion.g?n?rale.et.perspectives.179.Bibliographie.191.Annexes.193.Annexes.193.A.Essais.de.repr.oductibilit?.du.composantFreudenber
tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011.x.Td'aiguilletABLE208DEsuS?MA.TI?RES.G205Compsimplearaisondedesreladiff?rentes.sur.tensions.entre.le.suppordestdeder?f?renceduHEXaiguilletCEL80.simple.aiguillet.a.ge..et.le.suppor.t.de.r?-Compf?renceormancesHEXporCEL?renceadoublediff?rentesaiguilletgeaporgege.%.d'humi-............................200.H.Comp.araison.des.di.f.f?rentes.surItensionsaraisonentreperfledusupporpttr?f?pais-aiguilletseurgedequalit?ssimpleaaiguilletesup-ttar?f?rencegesansaetle30supporett%dit??ptiveaisseur...double.aiguillet.a.ge.........................
tel-00631359, version 1 - 12 Oct 2011

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