Nicolas VIGNAL : "Modélisation hybride du vieillissement d'un électrolyseur de type PEM"

Résumé : L'électrolyse de l'eau, en particulier via les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM), émerge comme une technologie clé pour la production d'hydrogène vert, grâce à sa capacité à fonctionner à haute densité de courant et à répondre rapidement aux variations de charge.

Cette thèse propose une approche intégrée visant à modéliser, mesurer et prédire la performance ainsi que la durabilité des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM). L’objectif est de poser les bases d’un jumeau numérique capable de diagnostiquer les mécanismes de dégradation et d’optimiser les conditions d’exploitation. Le cœur du travail repose sur un modèle multiphysique explicite de la tension de cellule, intégrant la cinétique électrochimique des catalyseurs, la résistance ohmique et les pertes liées au transport de masse. Un bilan thermique simplifié assure le couplage essentiel entre la température et la performance électrochimique. Enfin, le modèle détaillé de transport permet de quantifier les débits d’oxygène et d’hydrogène produits, contribuant ainsi à l’évaluation de l’efficacité globale du système.

Un banc d'essai a été spécifiquement conçu pour contrôler la température, la pression, le débit d'eau et le courant. Les mesures principales incluent les courbes de polarisation ainsi que les spectres d’impédance électrochimique (EIS). Les données expérimentales confirment que l’élévation de la température réduit la surtension, tandis que le débit d’eau peut être diminué sans dégrader significativement la performance dans la plage de fonctionnement étudiée, ouvrant la voie à une optimisation de la consommation auxiliaire. Ces résultats servent à la calibration puis à la validation du modèle multiphysique. [...]

Composition du jury : 

Daniel HISSEL Professeur des universités Université Marie et Louis Pasteur Directeur de thèse
Damien GUILBERT Professeur des universités Université du Havre, GREAH Rapporteur
Bruno POLLET Professeur des universités Université du Québec à Trois-Rivières, IRH, Canada Rapporteur
Sophie DIDIERJEAN Professeure des universités Université de Lorraine, LEMTA Examinateur
Antoine PICOT Maître de conférences Université de Toulouse, LAPLACE Examinateur
Zhongliang LI Chaire de professeur junior Université Marie et Louis Pasteur Co-encadrant de thèse
Benoit LATOUR Docteur MICHELIN Co-encadrant de thèse

Localisation : Université Marie et Louis Pasteur UFR STGI 2, Rue Chantereine 90000 BELFORT - salle Amphithéâtre Néel