Développement d'un modèle numérique de pile à combustible PEM pour une étude physico-mécanique

Development of a numerical model of a PEM Fuel Cell for a physico-mechanical study

• Auteur / Autrice : Luca Marcelli
• Direction : Denis Candusso
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TEMA - Technologies pour l'Electro-Mobilité Avancée
• Partenaire(s) de recherche : référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Pile à combustible PEM

Performance électrique

Compression mécanique

Hydrogène

Simulation

PEM Fuel cell

Hydrogen

Simulation

Mechanical pressure

Modelling

Electrical performance

Résumé

Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans le cadre d'activités de recherches menées conjointement par l'Université de Technologie de Belfort Montbéliard (UTBM), l'Université Savoie Mont Blanc, l'Université Gustave Eiffel et l'Université Paris-Saclay / ENS Paris-Saclay dans le domaine des piles à combustible (PAC) alimentées en hydrogène (projet MIREPOIx incluant notamment les thèses de Khadidja Bouziane et El Mahdi Khetabi, réalisées au sein du laboratoire SATIE et de l'UAR FCLAB dont SATIE est partenaire ; thèses soutenues en 2021 à l'Université Paris-Saclay). L'objectif général de ces activités consiste à établir des liens entre les performances électriques globales de PAC en conditions d'usage et les caractéristiques physico-mécaniques des composants de la pile. Les recherches à mener visent plus particulièrement le développement d'une meilleure compréhension des phénomènes physiques (électriques - mécaniques - thermiques) présents dans les PAC de type PEMFC (à membrane échangeuse de protons, ou membrane à électrolyte polymère). Dans ce contexte, le projet de thèse proposé a pour objectif plus spécifique de développer une meilleure connaissance des PEMFC grâce à des travaux de modélisation - simulation et des mesures expérimentales (ex-situ et in-situ). La pile PEMFC est un système complexe et l'augmentation de sa durée de vie constitue un défi qui reste encore à relever par des approches expérimentales et numériques adaptées. Le couple modélisation - simulation numérique permet d'accéder à une compréhension plus fine des phénomènes physiques présents dans le cœur de la pile mais il peut aussi jouer un rôle prédictif dans l'anticipation des dégradations des performances de la pile. L'outil qui résultera des travaux de modélisation / simulation envisagés devra ainsi permettre une maitrise accrue, dans un contexte mécanique, de la fiabilité des composants et de la cellule électrique. Les performances thermiques, mécaniques et électriques d'une cellule PEM dépendent des propriétés des matériaux de chacun de ses éléments, du frottement présents entre les différents composants, de leur architecture et de la méthode d'assemblage de l'empilement (choix du niveau de contrainte mécanique / du couple de serrage exercé, des caractéristiques de la couche de diffusion - GDL, de la géométrie de la plaque bipolaire - BPP, ...). Or, ces performances diminuent au cours du temps compte tenu de la dégradation des matériaux, de l'évolution des conditions d'assemblage, de la circulation des fluides et de la déformation des structures. Sous de fortes sollicitations mécaniques (couple de serrage important), plusieurs paramètres liés à la pile, comme les volumes des gaz réactifs disponibles, la pression de contact entre la GDL et la BPP, les résistances de contacts électriques et thermiques à cette interface subissent de grandes variations, en partie irréversibles. De plus, l'influence des effets thermiques et électriques sur les contraintes mécaniques contribue, par exemple, à la détérioration de certains composants du cœur de la pile, notamment la GDL. Constituée d'un matériau poreux et fibreux, cette dernière a un rôle primordial : elle permet bien sûr la diffusion des réactifs mais aussi la conduction de la chaleur et de l'électricité entre les BPP et les électrodes. Une modélisation / simulation numérique de couplage thermo - électro - mécanique d'une pile PEMFC sera développée pour étudier la distribution des contraintes / pressions mécaniques et des performances électriques locales présentes dans chaque composant de l'empilement. Le modèle sera alimenté et validé par des données expérimentales obtenues au sein des laboratoires partenaires. La synthèse des résultats obtenus permettra de fournir une aide dans le développement des critères de choix de constituants de PEMFC et de contribuer à établir des règles de conception des assemblages.

The proposed thesis proposal is part of the research activities carried out jointly by Université de Technologie de Belfort Montbéliard (UTBM), Université Savoie Mont Blanc, Université Gustave Eiffel and Université Paris-Saclay / ENS Paris-Saclay in the field of Fuel Cells (FC) fed by hydrogen (MIREPOIx project including in particular the theses of Khadidja Bouziane and El Mahdi Khetabi, carried out within the SATIE laboratory and the UAR FCLAB, of which SATIE is a partner; theses defended in 2021 at the Université Paris-Saclay). The general objective of these activities is to establish links between the overall electrical performance of the FC under operating conditions and the physical-mechanical characteristics of the FC components (determined ex-situ). The research to be carried out aims more particularly at developing a better understanding of the physical phenomena (electrical - mechanical - thermal) present in PEMFCs (Proton Exchange Membrane, or Polymer Electrolyte Membrane - Fuel Cells). In this context, the specific objective of the proposed thesis proposal is to develop a better knowledge of PEMFCs through modelling - simulation works and experimental measurements (ex-situ and in-situ). The PEMFC is a complex system and increasing its lifetime is a challenge that has yet to be met by appropriate experimental and numerical approaches. The combination of modelling and numerical simulation provides a more detailed understanding of the physical phenomena present in the cell, but it can also play a predictive role in anticipating deterioration in the cell's performance. The tool that will result from the modelling/simulation work envisaged should thus enable greater control, in a mechanical context, of the reliability of the components and the electrical cell. The thermal, mechanical and electrical performance of a PEMFC depends on the properties of the materials of each element, the friction present between the various components, their design and the stack assembly method (choice of the level of mechanical stress / tightening torque applied, characteristics of the Gas Diffusion Layer - GDL, geometry of the bipolar plate - BPP, etc.) However, this performance decreases over time due to material degradation, changing assembly conditions, fluid flows and structural deformation. Under high mechanical loads (i.e. high torques), several parameters related to the stack, such as the available volumes of reactive gases, the contact pressure between the GDL and the BPP, and the electrical and thermal contact resistances at this interface, undergo large, partly irreversible variations. In addition, the influence of thermal and electrical effects on mechanical stresses contributes, for example, to the deterioration of certain cell components, including the GDL. This one, which is made of a porous and fibrous material, plays a key role: it allows the diffusion of the reactants, but also the conduction of heat and electricity between the BPP and the electrodes. A numerical modelling/simulation of the thermo-electro-mechanical coupling of a PEMFC stack will be developed in order to study the distribution of mechanical stresses/pressures and local electrical performances in each component of the stack. The model will be fed and validated by experimental data obtained in the partner laboratories. The synthesis of the results obtained will help to develop selection criteria for PEMFC components and will contribute to establishing rules for the design of assemblies.