Comportement local et performances électriques d'une pile à combustible à membrane : vers un outil de diagnostic, Proton exchange membrane fuel cell local behavior and electric performances : basis to a diagnosis tool

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Sous la direction de Sophie Didierjean, Kodjo Agbossou
Thèse soutenue le 11 décembre 2009: Université du Québec à Trois-Rivières, INPL
Le travail de thèse présenté ici apporte des éléments de compréhension sur l'influence de la gestion de l'eau et de la gestion thermique d'une PEMFC sur ses performances électriques. Un modèle bidimensionnel représentant les transferts de matière et de chaleur dans l'épaisseur d'une cellule élémentaire et le long des canaux d'alimentation est mis en place. Une partie spécifique de l'étude concerne la modélisation microscopique des agglomérats réactionnels et l'influence de l'eau présente dans ces zones actives sur les performances électriques locales et globales de la pile. Dans l'optique de réaliser un modèle pouvant s'intégrer à un système de contrôle, les transports couplés de l'eau liquide et vapeur, de la chaleur et des charges sont résolus analytiquement. Quelles que soient les conditions de fonctionnement, le modèle permet de calculer quel est l'état interne de la pile en terme d'hydratation, de production de courant et de chaleur. Le diagnostic de l'état interne de la pile en fonction des conditions opératoires permet de connaître précisément comment adapter les paramètres d'alimentation de la pile pour obtenir des performances électriques optimales. Les distributions locales d'eau, de courant et de température sont présentées en fonction de la stratégie d'alimentation en gaz de la pile et de l'orientation du circuit de régulation thermique. Une partie consacrée au diagnostic de fonctionnement d'une pile illustre en quoi l'utilisation du modèle et la connaissance de l'état interne de la pile apporte des informations primordiales lors de l'utilisation d'une pile à combustible
-Pile à combustible
-Simulations numériques
-Milieux poreux
-Transferts couplés
-Gestion de la température
-Gestion de l'eau
-Agglomérats
-Performances électriques
-PEMFC
The present work contributes to the understanding of water management and thermal management of a PEM fuel cell influences on the electrical performances. A bidimensional model representing mass and heat transfer in the cell thickness and along distribution channels is done. A specific part of the study concerns a microscopic representation of reactive agglomerates. This part presents the impact of the liquid water presence on local and global current densities. In te vein of integrating this model in a total fuel cell control system, simplifications have been done and coupled mass, heat and charge transfers are solved analytically. For any operating condition, the model gives a complete view of the hydric, thermal and electric inner situation of the cell. This diagnosis of the inner state of the cell leads to find the operating conditions giving to the optimal electric performances. Water, current and temperature distributions are presenting for different gas feeding strategies and different thermal management configurations. A specific part is dedicated to illustrate how this local diagnosis of the cell state can be used to estimate its global electric performances
-Proton Exchange Membrane Fuel Cell
-Porous media
-Numerical simulations
-Coupled transfer phenomena
-Electrical performances
-Agglomerates
-Water management
-Thermal management
Source: http://www.theses.fr/2009INPL098N/document
Publié le : mardi 1 novembre 2011
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École doctorale EMMA « Énergie, Mécanique, Matériaux »
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES
Institut National de la Recherche Scientifique
THESE
présentée pour l'obtention des titres de
Docteur de l'INPL
spécialité : Mécanique et Énergétique
et
Docteur de l'UQTR
spécialité : Sciences de l'énergie et des matériaux
par
Sylvain CHUPIN
Ingénieur de l'École Nationale Supérieure d'Electricité et de Mécanique de Nancy
Comportement local et performances électriques d’une pile à combustible
à membrane : vers un outil de diagnostic
Soutenue publiquement le 11 décembre 2009 devant le jury constitué de :
rRapporteurs : M Benoît GOYEAU Professeur, EM2C, Paris, France
rM Jon PHAROAH Assistant Professor, Queen's University,
rExaminateurs : M Kodjo AGBOSSOU Professeur, UQTR, Trois-rivières, Canada
meM Sophie DIDIERJEAN Maître de conférences, LEMTA, Nancy, France
rM Jean HAMELIN Professeur, UQTR, Trois-rivières, Canada
meM Marie-Cécile PÉRA Professeur, FEMTO, Belfort, France
rInvités : M Yves DUBÉ Professeur, UQTR, Trois-rivières, Canada
rM Gaël MARANZANA Maître de conférences, LEMTA, Nancy, France
Laboratoire d'Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA)
UMR 7563 CNRS Nancy Université
54500 Vandoeuvre lès Nancy, France
Institut de Recherche sur l'Hydrogène (IRH)
Université du Québec à Trois-Rivières
Trois-Rivières (QC) G9A5H7, CanadaRemerciements
Je tiens à remercier vivement :
– Sophie Didierjean, ma directrice de thèse, pour sa bonne humeur, son dynamisme
quotidien et pour m'avoir proposé cette thèse en co-tutelle.
– Kodjo Agbossou, mon directeur de thèse, pour son accueil au Canada et pour avoir lui
aussi été artisan de la mise en place de cette collaboration internationale.
– Gaël Maranzana, mon co-directeur de thèse, pour sa capacité à recadrer les recherches
autour de problématiques observables.
– Yves Dubé, mon co-directeur de thèse, pour ses questions, ses remarques et sa vision de
la pile.
– les membres de l'équipe « pile à combustible » au LEMTA (Alain Chenu, Olivier Lottin,
Jerome Dillet, Feina Xu, Libeth Maldonado, Thibaut Colinart, Corinne Dalet, Julia
Mainka, Delphine Conteau, Anthony Thomas et Adrien Lamibrac).
– à Thibaut Colinart plus particulièrement, pour l'excellent travail bibliographique qu'il
a réalisé.
– l'ensemble du personnel du LEMTA.
– Ses secrétaires, Fatiha Boumendjel, Valerie Reichhart, Dalida Simonigh, Edith Lang
et Catherine Denis qui m'ont beaucoup facilité la vie.
– Franck Lelong et Jonathan Gerardin qui m'ont supporté dans leur bureau (et vice-
versa).
– Isabelle Perry, qui m'a permis de découvrir une nouvelle facette de l'enseignement en
m'envoyant régulièrement à Lunéville.
– Toutes les autres personnes avec qui j'ai pu prend plaisir à déjeuner, discuter ou que
j'ai simplement croisé au laboratoire.
– les membres de l'équipe « pile à combustible » à l'IRH (Julien Ramousse, Florent
Brecque, Faouda Fofana, Kokou Adegnon, Bruno Gagnon-Vivier, Alben Cardenas,
Pelope Adzakpa et Dung Tran Khanh Viet)
– Julien Ramousse en particulier, pour notre agréable co-voisinage et pour m'avoir
permis de m'insérer facilement dans l'ambiance de travail québécoise.
– l'ensemble du personnel de l'IRH.
– Lucie Bellemare pour son travail au secrétariat du laboratoire.
– Marc Lefebvre et Julien Lang pour m'avoir tenu compagnie pendant ma période de
vie au québec.
– Tous ceux avec qui j'ai pu diner, discuter ou que j'ai salué.
– aux potes qui m'ont soutenus (ou presque), Greg, Tom, Franckounet, Bubu, Rémi,
Lorenzo, Jean Jean et ceux que j'oublie honteusement ...
– aux gens qui m'ont croisé et avec qui j'ai pu passer du bon temps ces trois dernières
années....
– mon père et ma mère sans qui évidement rien n'aurait pu se passer.Un grand merci également :
– à tous les membres du jury, qui m'ont gratifié de leur présence et qui m'ont fait l'honneur de
s'intéresser à mes travaux. J'adresse un merci tout particulier à Jon Pharoah, Kodjo
Agbossou et Jean Hamelin qui ont du traverser l'océan pour assister ma soutenance.
Contexte de l'étude
L'étude doctorale présentée dans ce document a été réalisée dans le cadre d'une thèse en co-tutelle
entre le Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA) de Nancy, en
France, et l'Institut de Recherche sur l'Hydrogène (IRH) de Trois-Rivières, au Canada. Dans chacun
de ces laboratoires, une équipe effectue des travaux de recherche sur les piles à combustible, et plus
particulièrement sur les piles à combustible de type PEMFC. Les travaux menés au sein du LEMTA
portent essentiellement sur l'étude des mono-cellules de pile à combustibles. Ils s'attachent à
modéliser finement les transferts couplés de masse et de chaleur dans le cœur d'une cellule. A l'IRH,
les travaux menés portent préférentiellement sur l'étude et la gestion des systèmes complet de pile à
combustible.
C'est dans ce contexte de complémentarité entre les problématiques de gestion globale d'une pile et
de représentation locale des phénomènes physiques se déroulant en son cœur que l'étude a été mise
en place. La nécessité pour la gestion de la pile de se baser sur des phénomènes physiques
complexes et l'importance de replacer dans un contexte général les modélisations locales
représentent le cœur de ce rapprochement entre les deux équipes de recherche.Résumé
Le travail de thèse présenté ici apporte des éléments de compréhension sur l'influence de la gestion
de l'eau et de la gestion thermique d'une PEMFC sur ses performances électriques. Un modèle
bidimensionnel représentant les transferts de matière et de chaleur dans l'épaisseur d'une cellule
élémentaire et le long des canaux d'alimentation est mis en place. Une partie spécifique de l'étude
concerne la modélisation microscopique des agglomérats réactionnels et l'influence de l'eau
présente dans ces zones actives sur les performances électriques locales et globales de la pile. Dans
l'optique de réaliser un modèle pouvant s'intégrer à un système de contrôle, les transports couplés de
l'eau liquide et vapeur, de la chaleur et des charges sont résolus analytiquement. Quelles que soient
les conditions de fonctionnement, le modèle permet de calculer quel est l'état interne de la pile en
terme d'hydratation, de production de courant et de chaleur. Le diagnostic de l'état interne de la pile
en fonction des conditions opératoires permet de connaître précisément comment adapter les
paramètres d'alimentation de la pile pour obtenir des performances électriques optimales. Les
distributions locales d'eau, de courant et de température sont présentées en fonction de la stratégie
d'alimentation en gaz de la pile et de l'orientation du circuit de régulation thermique. Une partie
consacrée au diagnostic de fonctionnement d'une pile illustre en quoi l'utilisation du modèle et la
connaissance de l'état interne de la pile apporte des informations primordiales lors de l'utilisation
d'une pile à combustible.
Mots clefs : Pile à combustible, PEMFC, Performances électriques, Agglomérats, Gestion de l'eau,
Gestion de la température, Transferts couplés, Milieux poreux, Simulations numériques.Abstract
The present work contributes to the understanding of water management and thermal management
of a PEM fuel cell influences on the electrical performances. A bidimensional model representing
mass and heat transfer in the cell thickness and along distribution channels is done. A specific part
of the study concerns a microscopic representation of reactive agglomerates. This part presents the
impact of the liquid water presence on local and global current densities. In te vein of integrating
this model in a total fuel cell control system, simplifications have been done and coupled mass, heat
and charge transfers are solved analytically. For any operating condition, the model gives a
complete view of the hydric, thermal and electric inner situation of the cell. This diagnosis of the
inner state of the cell leads to find the operating conditions giving to the optimal electric
performances. Water, current and temperature distributions are presenting for different gas feeding
strategies and different thermal management configurations. A specific part is dedicated to illustrate
how this local diagnosis of the cell state can be used to estimate its global electric performances.
Keywords : Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Electrical performances, Agglomerates, Water
management, Thermal management, Coupled transfer phenomena, Porous media, Numerical
simulations.

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