Cette thèse contribue à l'identification des mécanismes de dégradation qui ont lieu durant les phases de démarrage et d'arrêt des Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Proton. Dans un premier temps, des démarrages et arrêts individuels sont étudiés au moyen d'une cellule équipée de collecteurs de courants segmentés. Les courants internes qui sont produits durant ces opérations peuvent ainsi être mesurés. La mesure du dioxide de carbone dans les gaz d'échappement de la cathode révèle qu'une partie des courants internes correspond à de l'oxydation du carbone. Une autre part provient des réactions (réversibles ou non) d'oxydoréduction impliquant du platine. L'hétérogénéité des dégradations subies par la pile entre l'entrée et la sortie de la cathode est mise en évidence lors de protocoles de vieillissement répétant des démarrages et arrêts. Des analyses post-mortem révèlent un autre niveau d'hétérogénéité, qui concerne également le carbone, entre les dents et les canaux. De ces expériences, il ressort également que les dégradations sont plus importantes lorsque les gaz sont injectés à faible vitesse dans le compartiment anodique mais aussi quand de l'air est utilisé à la place de l'azote pour arrêter la pile. L'influence des caractéristiques de la MEA sur l'intensité des dégradations est aussi étudié. Un chargement en platine élevé à l'anode ou des électrodes avec des surfaces de carbone actif élevées accélèrent la chute des performances électriques. Au contraire accroitre le chargement en platine à la cathode limite ces pertes. Enfin, des simulations numériques des phases de démarrage complètent les résultats expérimentaux. L'oxydation réversible du platine est notamment identifiée comme étant responsable d'une part importante des courants internes / This works contributes to the identification of the various degradation mechanisms in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell during start-up and shut-down operations. Single start-ups and shut-downs are first analysed using a cell with segmented cathode current collectors. Thus, internal currents which occur during these operations can be measured. Carbon dioxide measured in the cathode exhaust gas reveals that they result partially from carbon oxidation. Another contribution is the reversible or non reversible redox reactions involving platinum. The heterogeneity of the non reversible platinum oxidation between the inlet and outlet of the cathode is evidenced by the in-situ monitoring of the Electrochemical Surface Area during long-term start-up and shut-down aging protocols. Post-mortem analysis reveals another level of heterogeneity, which concerns also carbon oxidation, between land and channel. From these experiments, it appears also that degradations are more important when gases are injected with a low velocity in the anode compartment and when air is used instead of nitrogen to flush the anode compartment during shut-down. The influence of the MEA characteristics on the extent of the degradation observed during these aging protocols is also analyzed. High platinum loading in the anode and high surface carbon electrodes accelerate the drop of the electrical performances, while increasing the cathode platinum loading limits their decay. Finally, numerical simulations of start-ups complete the experimental results. Reversible platinum oxidation was found to be one of the main contribution to the internal currents

The topic of this thesis is the degradation of fuel cell electrodes in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In particular, the degradation associated with localized fuel starvation, which is often encountered during start-ups and shut-downs (SUs/SDs) of PEMFCs. At SU/SD, O2 and H2 usually coexist in the anode compartment. This situation forces the opposite electrode, i.e. the cathode, to very high potentials, resulting in the corrosion of the carbon supporting the catalyst, referred to as carbon corrosion. The aim of this thesis has been to develop methods, materials and strategies to address the issues associated to carbon corrosion in PEMFC.The extent of catalyst degradation is commonly evaluated determining the electrochemically active surface area (ECSA) of fuel cell electrode. Therefore, it was considered important to study the effect of RH, temperature and type of accelerated degradation test (ADT) on the ECSA. Low RH decreases the ECSA of the electrode, attributed to re-structuring the ionomer and loss of contact with the catalyst.In the search for more durable supports, we evaluated different accelerated degradation tests (ADTs) for carbon corrosion. Potentiostatic holds at 1.2 V vs. RHE were found to be too mild. Potentiostatic holds at 1.4 V vs. RHE were found to induce a large degree of reversibility, also attributed to ionomer re-structuring. Triangle-wave potential cycling was found to irreversibly degrade the electrode within a reasonable amount of time, closely simulating SU/SD conditions.Corrosion of carbon-based supports not only degrades the catalyst by lowering the ECSA, but also has a profound effect on the electrode morphology. Decreased electrode porosity, increased agglomerate size and ionomer enrichment all contribute to the degradation of the mass-transport properties of the cathode. Graphitized carbon fibers were found to be 5 times more corrosion resistant than conventional carbons, primarily attributed to their lower surface area. Furthermore, fibers were found to better maintain the integrity of the electrode morphology, generally showing less degradation of the mass-transport losses. Different system strategies for shut-down were evaluated. Not doing anything to the fuel cell during shut-downs is detrimental for the fuel cell. O2 consumption with a load and H2 purge of the cathode were found to give around 100 times lower degradation rates compared to not doing anything and almost 10 times lower degradation rate than a simple air purge of the anode. Finally, in-situ measurements of contact resistance showed that the contact resistance between GDL and BPP is highly dynamic and changes with operating conditions. / Denna doktorsavhandling behandlar degraderingen av polymerelektrolytbränslecellselektroder. polymerelektrolytbränslecellselektroder. Den handlar särskilt om nedbrytningen av elektroden kopplad till en degraderingsmekanism som heter ”localized fuel starvation” oftast närvarande vid uppstart och nedstängning av bränslecellen. Vid start och stopp kan syrgas och vätgas förekomma samtidigt i anoden. Detta leder till väldigt höga elektrodpotentialer i katoden. Resultatet av detta är att kolbaserade katalysatorbärare korroderar och att bränslecellens livslängd förkortas. Målet med avhandlingen har varit att utveckla metoder, material och strategier för att både öka förståelsen av denna degraderingsmekanism och för att maximera katalysatorbärarens livslängd.Ett vanligt tillvägagångsätt för att bestämma graden av katalysatorns degradering är genom mätning av den elektrokemiskt aktiva ytan hos bränslecellselektroderna. I denna avhandling har dessutom effekten av temperatur och relativ fukthalt studerats. Låga fukthalter minskar den aktiva ytan hos elektroden, vilket sannolikt orsakas av en omstrukturering av jonomeren och av kontaktförlust mellan jonomer och katalysator.Olika accelererade degraderingstester för kolkorrosion har använts. Potentiostatiska tester vid 1.2 V mot RHE visade sig vara för milda. Potentiostatiska tester vid 1.4 V mot RHE visade sig däremot medföra en hög grad av reversibilitet, som också den tros vara orsakad av en omstrukturering av jonomeren. Cykling av elektrodpotentialen degraderade istället elektroden irreversibelt, inom rimlig tid och kunde väldigt nära simulera förhållandena vid uppstart och nedstängning.Korrosionen av katalysatorbäraren medför degradering av katalysatorn och har också en stor inverkan på elektrodens morfologi. En minskad elektrodporositet, en ökad agglomeratstorlek och en anrikning av jonomeren gör att elektrodens masstransportegenskaper försämras. Grafitiska kolfibrer visade sig vara mer resistenta mot kolkorrosion än konventionella kol, främst p.g.a. deras låga ytarea. Grafitiska kolfibrer visade också en förmåga att bättre bibehålla elektrodens morfologi efter accelererade tester, vilket resulterade i lägre masstransportförluster.Olika systemstrategier för nedstängning jämfördes. Att inte göra något under nedstängning är mycket skadligt för bränslecellen. Förbrukning av syre med en last och spolning av katoden med vätgas visade 100 gånger lägre degraderingshastighet av bränslecellsprestanda jämfört med att inte göra något alls och 10 gånger lägre degraderingshastighet jämfört med spolning av anoden med luft. In-situ kontaktresistansmätningar visade att kontaktresistansen mellan bipolära plattor och GDL är dynamisk och kan ändras beroende på driftförhållandena. / <p>QC 20131104</p>