Understanding the impact of high-frequency current harmonics on the aging of proton exchange membrane fuel cells

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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.

Ce résumé expose les affirmations des auteurs. BNTIC ne l’interprète pas comme une validation indépendante des résultats.