Etude de l'impact d'architectures fluidiques innovantes sur la gestion, la performance et la durabilité de systèmes de pile à combustible PEMFC pour les transports

Study of the Impact of Innovative Fluidic Architectures on the Management, Performance and Sustainability of PEMFC Fuel Cell Systems for Transportation

• Auteur / Autrice : Sandrine Rodosik
• Direction : Yann Bultel, Jean-Philippe Poirot-Crouvezier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 08/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Auvity
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaël Maranzana, Nadia Yousfi Steiner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs fluidiques

Durée de vie (ingénierie)

Performances

Piles à combustible à hydrogène

Mots clés libres

Système de pile à combustible

Optimisation de design système

Architectures innovantes

Performances

Durée de vie

Analyse de données multi-Échelles

Fuel cell system

System design optimization

Innovative architectures

Performance

Lifetime

Multi-Scale data analysis

Résumé

Même si l’hydrogène est en plein essor, les véhicules électriques à pile à combustible sont encore rares sur le marché. Leur volume et leur complexité encore trop importants comptent parmi les freins au développement des systèmes PEM (Proton Exchange Membrane) dans le secteur des transports. Ces travaux de thèse visent à étudier deux nouveaux circuits fluidiques permettant à la fois de simplifier et de réduire le volume du système. Il s’agit de la recirculation de l’air, et du Ping-Pong, une architecture fluidique permettant d’alterner la localisation de l’alimentation en combustible dans le stack. Les performances des deux architectures ont été étudiées expérimentalement en conditions automobile sur un système de 5 kW. Une analyse multi-échelles a été conduite pour comparer, à d’autres architectures connues, les performances du système, du stack et l’homogénéité des tensions de cellules du stack. L’étude a été complétée par un test de durabilité en Ping-Pong afin d’évaluer l’impact de ce nouveau mode de fonctionnement sur le stack. A nouveau, les données expérimentales sont analysées à différentes échelles jusqu’à l’expertise post-mortem des assemblages-membrane-électrode.

Although hydrogen is booming, fuel cell electric vehicles are still rare on the market. Their high volume and complexity are still major hurdles to the development of PEM (Proton Exchange Membrane) systems for transport applications. This PhD. work aimed at studying two new fluidic circuits that can both simplify and reduce the system volume. Namely, the cathodic recirculation, and the Ping-Pong, which is a new fluidic architecture that alternate the fuel feed locations during operation. The performances of both architectures have been studied experimentally in automotive conditions on a 5 kW system. A multiscale analysis was conducted to compare, with other known architectures, the performances of the system, the stack and the homogeneity of the cell voltages inside the stack. The study was completed with a Ping-Pong durability test to evaluate the impact of this new operation on the fuel cell stack. The experimental data have been analyzed at different scales up to the post-mortem expertise of membrane-electrode assemblies.