Compréhension des relations entre l'état mécanique et le fonctionnement d'une pile à combustible de type PEMFC à l'aide d'une approche duale expérimentale et prédictive

Optimisation of PEM fuel cell operation through a double approach experimental and predictive

• Auteur / Autrice : Christophe Carral
• Direction : Patrice Mélé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 08/12/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Matériaux Organiques à Propriétés Spécifiques (Chambéry)
• Jury : Président / Présidente : Roland Séguéla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Mélé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Lottin, Jean-Luc Loubet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Piles à combustible

Mots clés libres

PEMFC

Procédé d'assemblage

Méthodologies expérimentales

Analyse par éléments finis

Comportement mécanique

Matériaux archtecturés

PEMFC

Assembly process

Experimental methodologies

Finite elements analysis

Mechanical behavior

Architectured materials

Résumé

Dans le cadre du projet collaboratif FUI ''HyPlate'', cette étude apporte une contribution originale dans la compréhension des mécanismes impliqués lors de l'assemblage d'une pile à combustible de type PEMFC, à l'aide de la mesure ou de la prédiction des déformations et des contraintes mécaniques dans le cœur de pile ou MEA. Basée sur une analyse multi-échelle, une approche duale expérimentale et prédictive a été menée, comprenant le développement non seulement de nouvelles méthodes de mesures expérimentales mais également un modèle numérique 3D, basé sur la méthode des éléments finis. Le couplage des différents résultats expérimentaux et simulés a permis de déterminer, dans un premier temps, le niveau de contraintes (ou de déformations) dans les différents composants du stack en fonction des conditions d'assemblage, et d'analyser, dans un second temps, l'influence de différents paramètres, tels que les propriétés des matériaux des plaques bipolaires, le nombre de cellules et leur position. Il a notamment été montré que la distribution des déformations dans le cœur de pile diminuait avec le nombre de cellules et au centre du stack. Des modifications sur le système de serrage de la pile ont alors été proposées afin d'améliorer l'homogénéité de l'état mécanique global. Des mesures de force in-situ ont alors permis de valider certaines propositions et d'analyser l'influence de deux modes de serrage, en contrainte ou déformation imposée, sur la performance électrochimique de la pile.

Within the context of the FUI project ''HyPlate'', this thesis bring an original contribution in the understanding of the mechanisms implied during the assembly of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), through the measurements and the predictions of the mechanical stresses and strains in the fuel cell core, also known as the MEA. Based on a multi-scale analysis, a double approach experimental and predictive was followed, including not only the development of new experimental measurement methods but also a 3D numerical model, based on the finite element method. The results gathered from these two studies allowed us to determine, in a first step, the stress (or strain) level within the different stack components according to the assembly conditions, and to analyze, in a second step, the influence of different parameters such as the bipolar plate mechanical properties, the number of cells and their position. It was notably shown that the MEA strain distribution decreased with the number of cells and at the center of the stack. Some modifications of the clamping system were proposed in order to enhance the global mechanical state homogeneity. In situ measurements of the clamping force allowed us to validate some propositions made and to analyze the influence of two clamping modes, implying a constant stress or strain, on the electrochemical performance of the fuel cell.