Résumés des thèses 2002

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Modélisation de la dégradation et de la fiabilité de piles à membrane électrolyte polymérique (pemfc)

par : Mike Fowler, PhD

Directeurs : Dr. John C. Amphlett et Dr. Brant A. Peppley

Résumé

Jusqu'à présent il n'y a pas eu beaucoup de fiabilité ou d'analyse de fin de vie de conduit pour des systèmes de piles à combustible de la membrane d'échange de proton (PEM). La dégradation de tension en tant qu'âge des piles à combustible est un phénomène qui est largement observé, mais peu d'information systématique a été rapporté, et ce phénomène n'a pas été inclus dans les modèles électrochimiques. Ce travail documente et classifie les modes de la faillance qui peuvent être expérimentés en piles à combustible de PEM. Une station d'essai a été adaptée pour l'opération à long terme d'une simple piles à combustible de PEM, avec 50 cm2, intérieurement hydratée. Un essai de résistance a été effectué pour vieillir la cellule en fonctionnement normal pendant 1350 heures, lorsque l'échec de membrane était expérimenté.

Les changements de la courbe de polarisation qui ont été prévu par l'état d'équilibre généralise le modèle qu'électrochimique de dégradation (GSSEDM) sont démontrés des données pour l'exécution du matériel typique de piles à combustible de PEM. Ce travail développe et applique le modèle électrochimique généralisé d'état d'équilibre pour une cellule de PEM, et présente deux nouvelles limites pour expliquer l'électrode de membrane (MEA) vieillissant, spécifiquement le vieillissement des matériaux de MEA. Une limite est basée sur le concept que la capacité de charge de l'eau de la membrane détériore avec le temps en service. La deuxième limite implique sur des constantes intrinsèques de taux liées aux réactions l'anode et coté de cathode, et les changements de l'activité catalytique due à la dégradation de catalyseur. Le modèle résultant est en grande partie mécaniste avec la plupart des limites étant dérivées de la théorie ou incluant les coefficients qui ont une base théorique, mais inclut également des paramètres empiriques pour traiter l'exécution changeante. La valeur d'un modèle si générique pour prévoir ou mettre en corrélation des tensions de pile de piles à combustible de PEM au cours de la vie de la piles à combustible est démontrée dans ce travail. À partir des données expérimentales un taux de dégradation de conductivité de membrane a été déterminé, et la valeur de -0,0007 hr-1 pour l DR a été trouvée. Une limite a été présentée pour le taux de dégradation de la piles à combustible due aux changements de

l'activité catalytique apparente. Le taux de vieillissement proposé d'activité apparente (kDR) est -0,055 µVK/hr. Le taux global de dégradation de tension de 11 µVK/hr est compatible avec d'autres taux expérimentalement observés dans des états raisonnablement commandés de laboratoire et s'approche de l'opération continue.