Modélisation de la dégradation de la production de puissance d'une pile à combustible suite aux sollicitations mécaniques

par Tilda Akiki (Karkour)

Thèse de doctorat en Mécanique et conception

Sous la direction de Willy Charon.

Soutenue le 03-03-2011

à Belfort-Montbéliard en cotutelle avec l'Université Saint-Esprit (Kaslik, Liban) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (UFC / UTBM) , en partenariat avec Laboratoire Mécatronique 3 M - Méthodes, Modèles, Métiers (laboratoire) , Institut Fuel Cell Lab (Belfort) (laboratoire) et de Modélisation multi-physique (USEK) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Olivier Lottin.

Le jury était composé de Jean-François Blachot, Naïm Ouaini, Raed Kouta.

Les rapporteurs étaient Abel Cherouat.


  • Résumé

    Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Systèmes Mécaniques Adaptatifs (SMA)du laboratoire mécatronique M3M de l’UTBM impliqué dans l’institut FCLAB de recherche sur les systèmes pile à combustible et du projet de l’équipe de recherche «Modélisation Multiphysique », en cours de constitution, du département Sciences et Technologies de l’USEK. Les PEMFC font l’objet de nombreuses recherches pour augmenter leurs performances et diminuer leur coût mais la plupart des études se concentrent sur leurs aspects physicochimiques.Cette thèse par contre se propose de mettre en évidence l’influence, sur la production d’énergie, des sollicitations mécaniques statiques, dynamiques voire thermiques (serrages, vibrations, frottements, …) comme phénomènes couplés relevant du domaine multiphysique (interactions fluide-structure, électrique …). En premier, une analyse des différents paramètres de modèles dépendant des aspects mécaniques a été effectuée et les principaux paramètres à étudier dans le cadre de cette thèse ont été sélectionnés : porosité, perméabilité et coefficients de diffusion de la GDL, conductivité électrique du contact GDL/PB et volume des canaux après compression de la cellule. Ensuite, un modèle partiel de représentation mécanique de la GDL d’une PEMFC du côté cathode a été mis en oeuvre afin de déterminer la déformation de la GDL comprimée par une force répartie sur la PB. Sur la base des contraintes mécaniques calculées dans la GDL, les champs locaux de porosité, de perméabilité et de résistance électrique de contact GDL/PB sont obtenus. D’autre part, une modélisation 3D de type volumes finis pour l’étude de la pression du fluide à l’interface GDL/PB a été élaborée. L’analyse a permis de déterminer le champ local de pression d’oxygène sur l’interface GDL/PB du côté cathode. Les champs locaux de porosité et de perméabilité de la GDL, de résistance électrique de contact GDL/PB et de pression d’interface GDL/PB sont alors introduits dans le modèle multiphysique 2D d’une cellule de pile PEMFC. Une étude détaillée du comportement de la pile et de la modification de sa performance a pu être réalisée. Les résultats ont été présentés sous forme de courbes de polarisation et de densité de puissance. Finalement tous les résultats ont été rassemblés pour une analyse d’influence et de sensibilité afin d’identifier les paramètres qui auront le plus d'influence sur les variables simulées. Cette étude peut s'avérer un outil fort utile à la prise de décision concernant la géométrie de la dent des PB, la nature des PB, …

  • Titre traduit

    Modeling of the degradation of the power production of a fuel cell due to mechanical sollicitations


  • Résumé

    Most of the studies related to PEMFC emphasize on their physico-chemical aspects. The present study is concerned by the modeling for which a multiphysical coupling is primary for the balance of the energetic performance of the fuel cell. An analysis for the different parameters that depend on mechanical aspects is done and the major parameters for study are selected : prosity, permeability, diffusion coefficients of the GDL, electrical conductivity of the contact GDL / BP and volume of the channels after compression of the cell. The rectangular sections of graphite BP and trapezoid sections with or without a radius of curvature for steel BP are chosen. A partial model for the mechanical representation of the GDL of a PEMFC from the cathode side is first implemented in order to determine the deformation of the GDL induced by a uniformly distribued force. On the base of the mechanical constraints that are calculated in the GDL, the local fields of porosity abd contact resistance GDL / BP are obtained.The local field of the oxygen pressure on the GDL from the cathode side is determined by a 3D modeling. The local fields of GDL porosity, electrical contact resistance GDL / BP and pressure at the interface GDL / BP are then introduced in the 2D multiphysical model of the fuel cell. The results are presented as polarization and power density curves.Finally, all the results are gathered for an analysis of influence and sensibility in order to identify the parameters that wil have the bigger influence on the simulated variables.


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