Caractérisation et modélisation de piles à combustible et d'électrolyseurs PEM à conditions opératoires variables en vue de leur association

Characterization and modeling of PEM fuel cells and electrolyzers at varying operating conditions with the aim of associating them

• Auteur / Autrice : Isabelle Labach
• Direction : Christophe Turpin, Stéphan Astier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 08/04/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Bultel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Turpin, Stéphan Astier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Millet, Marie-Cécile Péra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plan d'expérience

Piles à combustible à hydrogène

Mots clés libres

Pile à combustible

Electrolyseur

Membrane Enchangeuse de Protons

PEM

Batterie Hydrogène

Caractérisation

Modélisation

Plan d’expériences

Identification paramétrique

Conditions opératoires variables

Spectroscopie d’Impédance Electrochimique

Courbes de polarisation

Fuel Cell PEMFC

Electrolyzer PEMWE

Proton Exchange Membrane PEM

Regenerative fuel cell

Characterization

Modeling

Design of experiment (DoE)

Parameter identification

Varying operating conditions

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

Polarization curve

Résumé

La pénétration importante des énergies renouvelables dans le mix énergétique actuel requiert le développement de nouveaux systèmes de stockage d'électricité afin de pallier l'intermittence et les fluctuations de leur production. Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’utilisation de l’hydrogène comme futur vecteur énergétique. Plus exactement, sa motivation concrète est la « batterie hydrogène » qui est un des candidats pour le stockage d’électricité sous forme chimique. Ce concept associe une pile à combustible, un électrolyseur et un stockage d’H2. Parmi les différentes technologies de piles à combustible, la technologie PEM (Proton Exchange Membrane) fonctionnant à basse température (autour de 80° C) est la plus mature ; cette même technologie PEM connaît également un rapide essor pour les électrolyseurs de l’eau. Nos travaux visent à étudier par une approche générique ces deux composants - pile à combustible et électrolyseur - structurellement identiques, afin de les modéliser et d’optimiser leur association d’un point de vue à la fois énergétique et fonctionnel. Une approche commune de description, caractérisation et de modélisation des principaux phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans les deux composants a été retenue. Une partie importante de cette thèse a été consacrée à des travaux expérimentaux, notamment le développement de moyens d’essais : amélioration d’un banc mono-cellule pile à combustible existant pour fonctionner en H2/air avec des conditions opératoires variables et création d’un banc électrolyseur. La méthodologie retenue pour les investigations expérimentales est celle des plans d’expérience : des plans factoriels complets à 2 et 3 niveaux ont été mis en œuvre. Une fois la base de données constituée, l’enjeu est de paramétrer de manière la plus pertinente possible les modèles semi-empiriques élaborés. Le LAPLACE, comme d’autres, a beaucoup travaillé à ce jour sur la séparation des différents phénomènes physicochimiques par des approches fréquentielles/temporelles. Les présentes recherches ouvrent une nouvelle voie qui consiste à les découpler aussi en fonction de leur sensibilité aux conditions opératoires (température et pression principalement). Cela a mené à la conceptualisation d’une nouvelle approche systémique pour l’étude des composants PEM et à la mise au point d’une nouvelle méthodologie de paramétrisation du modèle d’impédance PAC : la méthode multi-spectres - multi-conditions opératoires. Un modèle de courbe de polarisation dépendant des conditions opératoires a été formulé pour chaque composant, et son caractère prédictif a été évalué dans les deux cas. Enfin, la richesse des données expérimentales a permis d’identifier de nouveaux phénomènes à prendre en compte dans les modèles quasistatique et dynamique petit signal de la pile à combustible : à savoir une tension mixte permettant d’expliquer la tension à vide (OCV), et l’impédance de canal comme explication au décalage systématiquement observé entre la dérivée de la courbe de polarisation et la résistance basse fréquence des spectres d’impédance, respectivement.

An increasing share of the intermittent and fluctuating renewable energy sources in the current energy mix requires the development of new energy storage solutions. This PhD thesis falls within the context of the use of hydrogen as a future energy carrier. More precisely, the objective is a regenerative fuel cell, which is a potential candidate to store electricity as chemical energy. Such a device associates a fuel cell, an electrolyzer and a hydrogen storage. Among the different fuel cell technologies, low temperature (around 80 °C) PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cells are the most mature, and PEM water electrolyzers are now rapidly developing. This work is aimed to study these two structurally identical components (fuel cell and electrolyzer) using a generic approach, in order to model their behavior and to optimize their association. Common description, characterization and modeling of the main physico-chemical phenomena occurring in both components have been undertaken. A significant part of this PhD thesis has been dedicated to experimental work, in particular to the development of test facilities. First a single cell fuel cell test bench was upgraded for a H2/air feed and varying operating conditions functioning; then an electrolysis test bench was created. The design of experiment technique was used by means of full factorial plans of experiments of two and three levels. Once the database is obtained, the issue is to adequately parameterize the semi-empirical models constructed. Like others, the LAPLACE has so far worked on separating the various physicochemical phenomena according to their frequency/temporal response. These researches open a new way consisting in distinguishing these phenomena also thanks to their respective sensitivity to the operating variables (temperature and pressure principally). This led to the conceptualization of a new systemic approach for the study of PEM components and the development of a new parameterization methodology for the fuel cell impedance model: simultaneous fitting of numerous impedance spectra plotted at several current densities at different operating conditions. A steady-state model, adaptive to the operating conditions, was formulated for each component. Their respective prediction ability was evaluated. Finally the diversity and quantity of experimental data allowed us to identify new phenomena to be taken into account in the fuel cell steady-state model and dynamic small-signal model. First a mixed potential was considered to explain the open circuit voltage (OCV), then a gas channel impedance was introduced to describe and represent the consistently observed bias between the low frequency resistance and the slope of the polarization curve.