Modélisation multiphysique d'une pile à combustible en conditions de gel ; développement et optimisation de stratégies de démarrage à froid.

Multiphysics modeling of a fuel cell under freezing conditions; development and optimization of cold-start strategies.

• Auteur / Autrice : Mattéo Gantzer
• Direction : Nadia Yousfi steiner, Daniel Hissel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2024
• Etablissement(s) : Besançon, Université Marie et Louis Pasteur
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Énergie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)

Mots clés

Mots clés libres

Pile à combsutible

Démarrage à froid

Optimisation

Modélisation multi-physique

Fuel Cell

Cold start

Opimization

Multiphysics modeling

Résumé

Dans un contexte où la demande énergétique, principalement alimentée par les hydrocarbures, est en augmentation constante, l'hydrogène émerge comme un vecteur énergétique prometteur pour l'avenir lorsqu'il est produit de manière sûre et sans émissions de dioxyde de carbone. En association avec la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), l'hydrogène offre la possibilité de générer de l'énergie électrique et thermique sans émettre localement de gaz à effet de serre. Il se présente ainsi comme une solution idéale pour répondre aux besoins du secteur du transport automobile, ainsi que pour la production d'électricité et de chaleur à petite et moyenne échelle. Le démarrage à froid présente une importance cruciale pour les performances et la durabilité des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Des études ont montré que les piles à combustible peuvent démarrer à basse température, en fonctionnant pendant une courte période après le démarrage avant de s'arrêter. Cela se produit car la pile à combustible peut normalement fonctionner à basse température, cependant l'eau produite à la cathode par la réaction électrochimique peut geler et entraîner la formation de glace lorsque les températures sont inférieures à zéro. La glace ainsi formée peut réduire les performances, endommager les composants de la cellule, obstruer le passage du gaz, recouvrir le catalyseur et entraîner l'échec du démarrage à froid. De plus, des cycles de gel répétés peuvent facilement entrainer la délamination des couches MEA et augmenter la résistance de contact électrode-membrane, diminuant ainsi la durée de vie de la pile. Pour diminuer ces dégradations, de nombreuses améliorations ont été apportées pour résoudre les problèmes de protection contre le gel et de démarrage à froid rapide dans les véhicules à piles à combustible. Les systèmes et méthodes pour préparer les piles à combustible à l'arrêt avant l'exposition à de températures négatives sont classés en deux catégories : solution de purge et matériaux pour éviter le gel. En ce qui concerne le système et les solutions pour le démarrage à froid des PEMFC, différentes solutions de chauffage sont classées en deux groupes principaux en fonction de leurs sources de chauffage et sont catégorisées comme des méthodes de chauffage internes et externes.

In the context of a continuously increasing energy demand primarily fueled by hydrocarbons, hydrogen is emerging as a promising energy vector, provided that it is produced safely and with no carbon emission. When used in a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), hydrogen serves as a source of both electrical and thermal energy with no local emission of greenhouse gases. Therefore, hydrogen is viewed as an ideal solution to meet automobile transportation energy demand, as well as small and medium-scale heat and electricity generation. Cold start is of paramount relevance when it comes to durability and performance of PEMFC. Studies have shown that such fuel cells can start up at low temperatures for a short amount of time before shutting down. This is due to the accumulation of the water produced by the electrochemical reaction at the cathode, which turns into ice at subzero temperatures, despite the ability of the fuel cell to work at low temperature. Ice formation subsequently reduces electrical performance, deteriorates cell components, hinders gas transport, covers the catalyst layer and, in turn, causes cold start failure. Additionally, repeated freeze-thaw cycles are easily prone to delaminating the layers of the Membrane-Electrode Assembly (MEA), increasing contact resistance of the membrane, and reducing the useful lifetime of the fuel cell. In order to mitigate such degradations, numerous solutions have been proposed to prevent frost-related damage to the cells and enable rapid startup from subzero temperatures in vehicular applications. Systems and methods to protect fuel cells from freezing temperatures upon shutdown are divided into two categories: dedicated materials to prevent the fuel cell from freezing and cell purging. Regarding the so-called cold start of PEMFC, heating strategies differ based on the source of the heat, which can be either external or internal to the fuel cell.