Gestion de l'eau et performances électriques d'une pile à combustible : des pores de la membrane à la cellule

Water management and electrical performances of a PEM fuel cell : from the pore of the membrane to the cell

• Auteur / Autrice : Thibaut Colinart
• Direction : Sophie Didierjean, Olivier Lottin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 29/09/2008
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Klaus-Dieter Kreuer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Didierjean, Olivier Lottin, Klaus-Dieter Kreuer, Ned Djilali, Marc Prat, Serge Besse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ned Djilali, Marc Prat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible

Mots clés libres

Pile à combustible

Simulations numériques

Milieux poreux

Etude expérimentale

Transferts couplés

Membrane Nafion

Gestion de l’eau

Performances électriques

Proton exchange membrane fuel cell

Experimental study

Numerical simulations

Electrical performances

Water management

Nafion membrane

Coupled transport phenomenon

Porous media

Résumé

Cette thèse apporte des éléments sur la compréhension de la gestion de l'eau et de ses effets sur les performances électriques d'une PEMFC au moyen de modélisations multi-échelle des transferts. Une analyse du transport couplé de charges et de matière dans les pores de la membrane est proposée. La présence d'eau liquide est prise en compte dans les GDL (écoulements diphasiques) et les couches actives (noyage). Le couplage de ces modèles à une description des transferts de matière le long des canaux d’alimentation permet de mettre en évidence une répartition non-uniforme des concentrations en eau, des flux et donc de la densité de courant. Les résultats numériques sont comparés à des données expérimentales (coefficient de partage de l'eau et performance électrique locale) obtenues au laboratoire sur deux piles. Ceci permet de valider les modèles de fonctionnement du cœur de pile et d'alimenter la réflexion sur la connaissance et la modélisation des transferts d'eau dans le cœur de pile

This works contributes to the understanding of water management of polymer electrolyte membrane fuel cell and of its links with the electrical performances. More specifically, the manuscript deals with the multi-scale modelling of transport phenomena. An analysis of coupled mass and charge transfer in the pores of a polymer membrane is presented. The presence of liquid water is considered in the GDL (two-phase flow) and in the active layers (flooding). The description of these phenomena is associated with that of gas depletion along the bipolar plate channels. This allows to emphasize the non-uniformity of water concentration, of the fluxes and as a consequence, of current density. The numerical results are compared with experimental data (water transport coefficient, local electrical performances) measured on two different fuel cells. This comparison validates at least partially the numerical models and provides further information for the analysis of water management within PEMFC