Etude d'électrodes grande surface d'électrolyseurs PEM : inhomogénéités de fonctionnement et intégration de catalyseurs innovants

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau PEM prendra une place importante dans le paysage énergétique pour le stockage des EnR. Le changement d’échelle nécessaire ne peut s’envisager que par une augmentation significative de la puissance nominale, passant essentiellement par l’accroissement de leur taille et de la densité de courant. Dans ces conditions, un fonctionnement optimal et une durée de vie suffisante ne pourront être obtenus que par l’homogénéisation de la répartition du courant à la surface des électrodes. Au cours de cette thèse, nous avons utilisé pour la première fois un outil de cartographie des distributions de courant et de température à la surface d’AME grande surface, issus d’un design industriel. Une carte de mesure S++® conçue sur mesure et adaptée à l’utilisation envisagée a été intégrée à une monocellule PEM de 250cm². Une caractérisation électro-mécanique de la cellule a mis en évidence le lien existant entre le champ de forces de compression mécanique et de la densité de courant. Nous montrons qu’une compression mécanique optimale n’est pas suffisante pour homogénéiser la distribution de courant : le design de cellule, et plus particulièrement la distribution des fluides, joue un rôle majeur dans l’inhomogénéité de la distribution de courant, récurrente entre le centre et la périphérie de la cellule. Nous soulignons la concentration des lignes de courant vers le centre de l’AME lors de tests dynamiques, conséquence d’un vieillissement spatialement différencié. Nous avons également développé une structure d’électrode permettant de ré-homogénéiser globalement la distribution de courant, ce qui permet un meilleur maintien des performances dans le temps. Nous avons également développé un modèle numérique de la couche catalytique permettant de mieux comprendre la répartition des lignes de courant en fonction des caractéristiques géométriques des collecteurs poreux. Nous mettons en lumière le rôle majeur des surtensions dans le pouvoir répartiteur de la couche active, qui est particulièrement faible côté cathodique. Nous préconisons de densifier la couche catalytique pour une meilleure répartition du courant et pour limiter les différenciations locales de vieillissement. L’ensemble des observations en mono cellule a été confirmé par des essais sur un stack commercial.