Modélisation et simulation numérique du transfert de l'eau dans les piles à combustible de type PEMFC.

Modelling and numerical simulation of water transfer in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

• Auteur / Autrice : Pierre Carrère
• Direction : Marc Prat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Bultel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Prat, Sophie Didierjean, Jérôme Vicente, Manuel Marcoux, Joel Pauchet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Didierjean, Jérôme Vicente

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Surfaces hydrophobes

Mots clés libres

PEMFC

Couche de diffusion

Gestion de l'eau

Modèle en réseau de pore

PEMFC

Gas Diffusion Layers

Water Management

Pore Network Modelling

Résumé

La gestion de l’eau dans les piles à combustible à membrane d’échange de proton (PEMFC) est une problématique principale pour assurer leur efficacité et leur durabilité. La couche de diffusion côté cathode est considérée comme l’un des composants critiques concernant cette problématique. Dans ce contexte, l’objectif principal de la thèse est d’améliorer la compréhension des mécanismes intervenants dans la formation et le transport de l’eau dans la couche dediffusion côté cathode. Pour ce faire, un modèle en réseau de pores d’injection mixte liquidevapeur (MIPNM) est développé. Ce nouveau modèle permet de simuler la formation et le transport de l’eau dans la couche de diffusion côté cathode sur une plus large gamme de conditions de fonctionnement de la pile (température, densité de courant et humidité relative dans le canal) qu’avec les modèles des travaux précédents. Différents régimes de formation et de transport del’eau sont identifiés et décrits. Dans une seconde partie, le travail de thèse se focalise sur l’impact du traitement hydrophobe de la couche de diffusion. Les couches de diffusion actuellement commercialisées sont rendues hydrophobes en déposant une couche de polytétrafluoroéthylène (PTFE) sur les fibres de carbones hydrophiles. Il a été observé que le revêtement peut être non uniforme sur des couches de diffusion neuves et que le revêtement peut se dégrader au cours dufonctionnement de la pile. L’impact de ces deux phénomènes sur la distribution de l’eau liquide et sur l’accès du gaz réactif jusqu’à la couche catalytique est étudié en utilisant le modèle MIPNM pour des réseaux à mouillabilité mixte. Dans une troisième partie, un travail visant à l’amélioration de l’efficacité des piles est réalisé. Le but est d’optimiser l’accès du gaz réactif jusqu’à la couche catalytique en modifiant la microstructure des couches de diffusion. Ce travail est réalisé en couplant le modèle en réseau de pore avec un algorithme génétique. En complément, la modification des propriétés de mouillabilité des couches de diffusion est étudiée dans le but d’améliorer l’accès du gaz réactif. Enfin, un modèle 1D de tout l’assemblage anode-cathode est développé pour prendre en compte à la fois les conditions de fonctionnement à la cathode et à l’anode. Ce modèle 1D est couplé au MIPNM afin d’évaluer l’impact des conditions de fonctionnement côté anode sur la distribution d’eau liquide dans la couche de diffusion côté cathode

Water management is considered as a key issue in order to improve Proton Exchange Membrane Fuel Cells efficiency and durability. One of the critical components regarding this issue is the athode Gas Diffusion Layer (GDL). In this context, the main goal of the PhD work is to improve the understanding of the mechanisms responsible for the liquid water formation and transport in the cathode GDL. To this end, a Mixed liquid-vapour Injection Pore Network Model (MIPNM) is developed. This new model enables one to simulate the liquid water formation and transport in the cathode GDL for a larger range of operating conditions (temperature, current density and channel relative humidity) than in previous works. Different regimes of water formation and transport are identified and described. In a second part, the PhD work focus on the impact of the GDL hydrophobic treatment. Currently commercialized GDLs are rendered hydrophobic by coating Polytetrafluoroethylene (PTFE) onto the hydrophilic carbon fibres. It has been reported that the coating can be nonuniform on fresh GDLs and also that the coating can be altered during the operation of the fuel cell. The impact of these two phenomena on the liquid water distribution and on the reactant gas access to the catalyst layer is studied using the MIPNM for mixed wettability networks. In a third part, a work aiming at the improvement of PEMFC efficiency is developed. The goal is to optimise the reactant gas access to the catalyst layer by modifying the microstructure of GDLs. This is performed by coupling the PNM with a genetic algorithm. In a complementary study, the improvement of the reactant gas access is studied through modifications of the GDL wettability properties. Finally, a 1D model of the whole anode-cathode assembly is developed so as to take into account both anode and cathode operating conditions. This 1D model is coupled with the MIPNM in order to assess the impact of the anode operating conditions on the liquid water distribution in the cathode GDL