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Soutenance de thèse d’Alexandra PESSOT

par Isabelle Clarysse - publié le

Alexandra PESSOT soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

"Modélisation des performances et du vieillissement des piles à combustible PEM basses températures en vue d’applications aéronautiques" ;

Les travaux de thèse ont été réalisés sous la direction de Christophe Turpin et Amine Jaafar.

La soutenance se déroulera vendredi 13 mars 2020 à 10h, en salle des Thèses (C002) de l’ENSEEIHT.

Jury :
Sophie Didierjean, Professeure - Université de Lorraine, Rapporteure

Daniel Hissel, Professeur - Université de Franche-Comté, Rapporteur

Marian Chatenet, Professeur - Université de Grenoble Alpes, Examinateur

Mathias Gerard, Ingénieur de recherche - CEA, Examinateur

Julien D’Arbigny, Expert Système Pile à combustible - ALSTOM, Invité

Théophile Hordé, Ingénieur de recherche - AIRBUS, Invité

Marion Scohy, Conceptrice stack - SAFRAN, Invitée

Fabio Coccetti, Responsable de pôle - IRT Saint Exupéry, Invité

Mots-clés :
Pile à combustible, Campagnes d’essais, Plans d’expériences, Performances, Vieillissement, Durabilité, Modélisation, Principe de superposition.

Résumé :
Dans le contexte actuel du développement de « l’avion plus électrique », la pile à combustible PEM suscite de plus en plus d’intérêt de la part des avionneurs et des équipementiers de l’aéronautique. L’intégration de piles à combustible au sein des avions pourrait être une réponse pertinente face aux objectifs de réduction de la consommation de carburant, de diminution de l’impact environnemental et de réduction du bruit émis. A l’heure actuelle, il subsiste cependant de nombreuses questions sur l’influence d’un environnement propre à l’aéronautique sur les performances et la durabilité des piles à combustible PEM. Les travaux de thèse présentés ici portent sur ces problématiques et s’ordonnent suivant deux axes principaux.

Dans un premier axe, on s’intéresse à l’influence des conditions opératoires sur les performances et le comportement de stacks PEM conçus spécifiquement pour des applications aéronautiques. Les composants sont étudiés et testés à l’aide de la méthodologie des Plans d’Expériences dans des conditions opératoires classiques et dans des conditions opératoires propres à une application aéronautique. Un intérêt particulier a été porté au fonctionnement en basse pression, qui est responsable d’une chute de performances importante par rapport au fonctionnement à des pressions classiques. Une partie de la base de données expérimentales générée a ensuite été utilisée pour paramétrer et ajuster un modèle des performances en fonction des conditions opératoires. Le modèle de départ est un modèle semi-empirique classique pour les piles à combustible PEM. Les paramètres du modèle sont la densité de courant d’échange, la densité de courant parasite et la résistance de diffusion. Le modèle est appliqué dans un premier temps courbe à courbe c’est-à-dire qu’un jeu de paramètres est déterminé pour chaque courbe de polarisation obtenue. Le modèle est ensuite retravaillé pour intégrer la dépendance des paramètres aux conditions opératoires. Des lois de variation en fonction des conditions opératoires sont proposées pour chaque paramètre. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ont montré que le modèle permet bien d’obtenir une estimation satisfaisante des performances dans le domaine opératoire étudié et ont mis en avant le potentiel de ce modèle. Le caractère prédictif du modèle a également été évalué. La prédiction de courbes de polarisation en interpolation est apparue prometteuse, alors que la prédiction de courbes en extrapolation s’est avérée plus limitée, notamment pour les conditions opératoires plus « exotiques » qui sont éloignées du domaine opératoire initial. Le but sera donc, dans de futurs travaux, d’améliorer le modèle en travaillant à nouveau sur les lois de variation proposées.

Le second axe de travail porte sur la construction d’une méthodologie d’estimation du vieillissement d’une pile à combustible PEM soumise à un profil de mission. Le profil de mission étudié dans ces travaux est défini par le partenaire industriel pour une application aéronautique et les essais sont réalisés sur des stacks PEM conçus là encore pour une application aéronautique. L’approche retenue est basée sur le principe de superposition qui stipule que la dégradation due à une somme de sollicitations serait égale à la somme des dégradations de chacune des sollicitations considérées indépendamment. Dans la méthodologie proposée, le profil de mission est décomposé en différentes sous-missions : des sous-missions quasi-statiques liées aux niveaux de courant composant le profil de mission et des sous-missions dynamiques associées aux rampes de courant entre deux niveaux et aux phases de démarrage/arrêt. Une hypothèse adoptée dans ces travaux est que les sous-missions dynamiques ont un impact faible sur la dégradation due au profil de mission. Trois campagnes de sous-missions, dans lesquelles trois niveaux de courant ont été testés, ont été réalisées. Le profil de mission défini par l’industriel a également fait l’objet d’une campagne de vieillissement. Les différentes campagnes réalisées ont apporté des informations intéressantes sur le vieillissement du composant en fonction de la sollicitation. Les résultats de ces essais ont été utilisés afin de mettre en œuvre l’approche d’estimation du vieillissement proposée. Dans les travaux présentés, plusieurs méthodes d’application du principe de superposition sont proposées et discutées, en distinguant notamment la mise en œuvre du principe à partir des courbes de polarisation et des courbes V(t). Les différents résultats d’application montrent que l’approche proposée semble prometteuse pour estimer la dégradation de la tension cellule moyenne due au profil de mission et indiquent que les hypothèses adoptées paraissent cohérentes. Cependant, des limitations à l’application du principe de superposition sont apparues au cours des travaux. L’approche appliquée à un autre profil de mission dit « Cas école » (profil construit et testé uniquement pour valider l’approche) a par exemple conduit à des estimations du vieillissement plus mitigées. Des travaux futurs devront chercher à expliquer ces limitations et à confirmer l’intérêt de l’approche d’estimation du vieillissement proposée.

Abstract :
Nowadays, fuel cells, and especially PEM fuel cells, are regarded as a promising solution for transportation applications, especially for the aeronautical sector in the context of development of a “More Electrical Aircraft”. Indeed, the integration of fuel cell systems in aircraft allows generating electrical energy with high efficiency and low environmental impact. However, there are still many questions about the performances and the durability of PEM fuel cells in typical aeronautical conditions. The thesis works are dedicated to the experimental study of PEM fuel cells developed especially for an aeronautical application and to the modelling of performances and aging of these components.

The first part of the thesis works is devoted to the study and the modelling of performances as a function of operating conditions. An experimental database has been created using the Design of Experiments method. Several PEM fuel cell stacks have been tested in a broad operating field, considering classic operating conditions but also operating conditions linked to an aeronautical environment. A particular attention has been paid to low pressure functioning, knowing that experimental investigations at subatmospheric pressures have revealed lower performances compared to a classic pressure functioning. The experimental results have been exploited via a modelling approach, with the objective to define a model for the polarization curve as a function of operating conditions. First, a curve by curve model, in which a set of parameters (exchange current density, parasitic reactions’ equivalent current density and diffusion resistance) has been determined for every polarization curve, has been proposed. In the next step, some assumptions concerning the parameter dependency to the operating conditions have been introduced within the model. Different variation laws expressing the parameters as a function of operating conditions have been proposed. In all these steps, the results show good agreement between the experimental polarization curve and the polarization curve estimated by the model in the complete operating field. The predictive behaviour have finally been investigated with polarization curves carried out at operating conditions taken inside (interpolation cases) or outside (extrapolation cases) the initial definition range of the Design of Experiments. The prediction for interpolation cases has given promising results whereas the prediction for extrapolation cases has appeared limited for « exotic » operating conditions like low pressure or low temperature functioning. Future works will be devoted to improve variation laws and thus predictions using the model.

The second part of the thesis works is dedicated to the study and the modelling of the aging of a PEM fuel cell stack submitted to a given mission profile. The presented approach is based on the superposition principle which states that degradation caused by several solicitations is the sum of the degradations that would have been caused by each solicitation individually. A decomposition of the mission profile in different sub-missions is proposed, considering quasi-static sub-missions linked to the mission profile current levels and dynamic sub-missions linked to the current transitory phases of the mission profile and to the start and stop phases. In the thesis works, dynamic sub-missions are supposed to have a limited impact on degradation and are not considered. Three quasi-static sub-missions, it is to say three different current levels, have been tested on dedicated campaigns. Mission profile defined by the industrialist partner has also been tested. A rich experimental database has been obtained and has given interesting informations about the stack degradations as a function of different current solicitations. Different methodologies have been defined to apply the superposition principle, considering degradation evaluation on polarization curves or on “voltage versus time” curves. The obtained results have pointed out that the proposed approach seems relevant to estimate the cell voltage degradation : most of the time, estimation of voltage degradation due to the mission profile has shown a quite good agreement with experimental voltage degradation observed. However, the approach application to another mission profile has given more mixed results. Future works will be necessary to confirm the potential of this approach.