Modélisation dynamique du "coeur" de pile à combustible de type PEM

Dynamic modeling of the fuel cell PEM heart

• Auteur / Autrice : Dinh An Nguyen
• Direction : Stéphane Rael, Melika Hinaje
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 09/07/2010
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en électrotechnique et électronique de Nancy (Vandoeuvre-les-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Bouillault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Rael, Melika Hinaje, Frédéric Bouillault, Daniel Hissel, Stephan Astier, Philippe Desprez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Hissel, Stephan Astier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Spectroscopie

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Pile à combustible

Pem

Couche de diffusion

Couche de réaction

Membrane

Spectroscopie d'impédance

Modèle dynamique

Double couche électrique

Fuel cell

Pem

Membrane

Spectroscopy impedance

Dynamic model

Résumé

Étant une des nouvelles sources délivrant des énergies électrique et thermique décentralisées, les piles à combustible offrent une meilleure efficacité énergétique et des émissions réduites pour un développement durable. Ce mémoire est axé particulièrement sur l’étude des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), et sur les phénomènes physico-chimiques dont elles sont le siège. Un modèle 2D dynamique a été développé et résolu numériquement par la méthode des éléments finis au moyen du logiciel COMSOL Multiphysics. Les caractéristiques statiques et dynamiques simulées sont confrontées aux mesures effectuées sur un banc de test équipé d’une monocellule de type PEM de 100cm2 du laboratoire GREEN. Des études paramétriques, telles que l’influence des conditions opératoires, différentes sollicitations en courant, ont été simulées et expérimentées. Le comportement dynamique de la monocellule à un échelon de courant, et plus particulièrement à un couplage direct sur une capacité, a souligné l’importance du phénomène de la double couche électrique aux interfaces membrane/électrode dans la description précise des transitoires rapides. Enfin, la spectroscopie d’impédance, très répandue comme outil de caractérisation de la pile, a été mise en œuvre en simulation, permettant ainsi l’analyse des effets de cette méthode de mesure sur les grandeurs locales du cœur de pile

Being a new source of supplying electrical and thermal decentralized energy, the fuel cells offer better energy efficiency and reduced emissions for sustainable development. This thesis deals with the physicochemical phenomena that occur in a single cell of fuel cell proton exchange membrane. A 2Ddynamic model was developed and solved numerically by the finite element method using thesoftware COMSOL Multiphysics. The simulated static and dynamic polarization curves are confronted with measurements made on a 100cm² single cell test bench that belongs to GREEN Laboratory. Aparametric study, such as the influence of operating conditions, different stress current has been simulated and tested. The single cell dynamic behavior to a current step and more particularly to adirect connection to capacitor has underlined the importance of the electrical double layer phenomenon, located at the membrane / electrode interfaces, to describe precisely fast transients.Finally, spectroscopy impedance as a tool widely used to characterize the cell has been implemented in simulation allowing the analysis of the effects of this measurement method on the local parameters