Characterization of gas transport phenomena in gas diffusion layers in a membrane fuel cell - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Characterization of gas transport phenomena in gas diffusion layers in a membrane fuel cell

Caractérisation des phénomènes de transport de gaz dans les couches de diffusion de gaz dans une pile à combustible à membrane

Résumé

In membrane fuel cells, the feed gas must pass through a porous layer of carbonaceous material (GDL, gas diffusion layer) to access the catalyst, enabling the electrochemical reaction and subsequent energy production. In general, this layer consists of a macroporous substrate (MPS) covered by a thinner structural undercoat called a microporous layer (MPL) in contact with the electrode. The project here focuses on the study of gas transport phenomena in commercially available diffusion layers, which are essentially complex porous media (MPL+MPS). GDLs have a key role in the distribution of gases and the evacuation of produced water: in addition to diffusion and convection, the intrinsic properties of these layers are known to play a significant role on the overall performance of the fuel cell. The present approach relies on various sources of experimental observations to understand and characterize these transport flows in GDL in order to obtain a phenomenological formalism. To this end, ex-situ measurements using a "diffusion bridge" technique are carried out in a laboratory cell (called a fundamental cell) to estimate the directional permeability of the gas or in a fuel cell to estimate the equivalent permeability under conditions closer to cell operation. Essentially, the conditions for measuring gas transport have been modified, using (i) a single dry gas, (ii) a mixture of dry gases, (iii) humidified gases, (iv) gas flow in the presence of liquid water, and (v) variable cell compression. The results obtained on gas permeability, first through experimentation and then by using the data in established fundamental models, provide more precise information on the gas transport mechanism in these complex-structured GDLs when placed inside PEM fuel cells, leading to a significant understanding.
Dans les piles à combustible à membrane, les gaz d’alimentation doivent passer à travers une couche poreuse à base de matériaux carbonés (GDL) gas diffusion layer pour accéder au catalyseur, rendant possible la réaction électrochimique et la production d'énergie qui s'ensuit. En général, cette couche est constituée d'un support macroporeux (MPS, macroporous substrate) recouvert d'une sous-couche de structure plus fine appelée couche microporeuse (MPL, microporous layer) en contact avec l'électrode. Le projet porte ici sur l'étude des phénomènes de transport des gaz dans les couches de diffusion disponibles dans le commerce, qui sont essentiellement des milieux poreux complexes (MPL+MPS). Les GDL ont un rôle clé dans la distribution des gaz et l'évacuation de l'eau produite : outre la diffusion et la convection, les propriétés intrinsèques de ces couches sont connues pour jouer un rôle significatif sur la performance globale de la pile à combustible. La présente approche s'appuie sur diverses sources d'observations expérimentales pour comprendre et caractériser ces flux de transport dans la GDL en vue d'obtenir un formalisme phénoménologique. À cette fin, des mesures ex-situ utilisant une technique de "pont de diffusion", dans une cellule de laboratoire (appelée cellule fondamentale ) pour estimer la perméabilité directionnelle du gaz ou bien dans une pile à combustible, afin d’estimer la perméabilité équivalente dans des conditions plus proches du fonctionnement de la pile. Pour l'essentiel, les conditions de mesure du transport de gaz ont été modifiées, en utilisant (i) un seul gaz sec, (ii) un mélange de gaz secs, (iii) des gaz humidifiés, (iv) un flux de gaz en présence d'eau liquide et (v) une compression variable des cellules. Les résultats obtenus sur la perméabilité au gaz : d'abord par l'expérimentation et ensuite en utilisant les données dans des modèles fondamentaux établis, permettent d'obtenir des informations plus précises sur le mécanisme de transport du gaz dans ces GDL de structure complexe lorsqu'elles sont placées à l'intérieur des piles à combustible PEM, ce qui permet d'acquérir une compréhension significative.
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tel-03153432 , version 1 (26-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03153432 , version 1

Citer

Mainak Mukherjee. Characterization of gas transport phenomena in gas diffusion layers in a membrane fuel cell. Chemical and Process Engineering. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0176⟩. ⟨tel-03153432⟩
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