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Theses Year : 2023

Modeling of transfer phenomena in PEM fuel cells for the automotive application

Modélisation des phénomènes de transport dans les piles à combustible de type PEM pour l'application automobile

Abstract

Hydrogen is a promising energy carrier for the decarbonization of sectors such as industry and mobility. Its nature as a gas also makes hydrogen a suitable medium for storing renewable electricity. Fuel cells allow the production of electricity from hydrogen. Several technologies exist but PEM fuel cells offer efficiency, compactness and versatility. In addition to electricity, they produce heat and water as by-products and these must be properly managed to ensure proper operation of the systems. Too high temperature leads to premature aging of the materials. A membrane that is too dry decreases system performance and degrades more quickly. Conversely, if the cell contains too much water, the reactants can no longer carry out the electrochemical reactions and performance is reduced. The modeling of water and heat transport phenomena in PEM cells allows to improve their conception by a better design or the selection of better materials, as well as by an adapted piloting which preserves the cells from deleterious working conditions. These models contain parameters that must be estimated experimentally in order to make them as realistic as possible. This work, after having placed the role of hydrogen and fuel cells in the energy context, aims at estimating crucial parameters for water and heat transport in the cells. First, a water transport model is developed and design of experiment is set up to estimate the diffusion coefficients of water in the vapor and sorbed phases. Different methods and materials are compared, leading to results consistent with the literature. The influence of liquid water sorption by the membrane is also explored. Then, an original experiment allows to estimate the thermal resistance between the membrane-electrode assembly and the bipolar plates. The coupling between water transport and heat transport allows to estimate the temperature in the cell. An effective thermal conductivity is estimated. Finally, load cycle experiments are performed to study the water storage during a dynamic regime. Water balances are performed in parallel with impedance measurements and allow to explore the water storage in the cell. Preliminary experimental results are compared to a coupled transient model for water and heat transport.
L'hydrogène est un vecteur énergétique prometteur pour la décarbonation de secteurs tels que l'industrie ou la mobilité. Sa nature de gaz fait aussi de l'hydrogène un moyen adapté pour le stockage de l'électricité renouvelable. Les piles à combustible permettent de produire de l'électricité à partir d'hydrogène. Plusieurs technologies existent mais les piles à combustible PEM offrent efficacité, compacité et polyvalence. En plus de l'électricité, elles produisent de la chaleur et de l'eau comme sous-produits et ces derniers doivent être correctement gérés pour assurer le bon fonctionnement des systèmes. Une température trop élevée entraine un vieillissement prématuré des matériaux. Une membrane trop sèche diminue le rendement du système et se dégrade plus rapidement. A l'inverse, si la cellule de pile contient trop d'eau, les réactifs ne peuvent plus assurer les réactions électrochimiques et les performances s'en voient diminuées. La modélisation des phénomènes de transport d'eau et de chaleur dans les piles PEM permet d'en améliorer leur conception par un meilleur design ou la sélection de meilleurs matériaux, ainsi que par un pilotage adapté qui préserve les cellules de conditions de travail délétères. Ces modèles contiennent des paramètres qu'il convient d'estimer expérimentalement afin de les rendre les plus réalistes possibles. Ce travail, après avoir placé le rôle de l'hydrogène et des piles à combustible dans le contexte énergétique, vise à estimer des paramètres cruciaux pour le transport de l'eau et de la chaleur dans les cellules. Tout d'abord, un modèle de transport de l'eau est développé et un plan d'expérience est mis en place afin d'estimer les coefficients de diffusion de l'eau en phase vapeur et adsorbée. Différentes méthodes et matériaux sont comparés, amenant à des résultats cohérents avec la littérature. L'influence de la sorption d'eau liquide par la membrane est aussi explorée. Ensuite, une expérience originale permet d'estimer la résistance thermique entre l'assemblage membrane-électrodes et les plaques bipolaires. Le couplage entre transport de l'eau et transport de la chaleur permet d'estimer la température dans le cœur de la cellule. Une conductivité thermique effective est estimée. Enfin, des expériences en cycles de charge son réalisées afin d'étudier le stockage de l'eau lors d'un régime dynamique. Des bilans d'eau sont réalisés en parallèle de mesure d'impédance et permettent d'explorer le stockage de l'eau dans la cellule. Les résultats expérimentaux préliminaires sont comparés à un modèle transitoire couplé de transport d'eau et de chaleur.
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Dates and versions

tel-04205142 , version 1 (12-09-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04205142 , version 1

Cite

Rémi Bligny. Modeling of transfer phenomena in PEM fuel cells for the automotive application. Engineering Sciences [physics]. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0068⟩. ⟨tel-04205142⟩
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