Modélisation multi-physiques des arrêts-démarrages de PEMFC et étude sur la dégradation du support carbone : stratégies de mitigation et optimisation de design

par Bolahaga Randrianarizafy

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Yann Bultel.

Le président du jury était Christophe Turpin.

Les rapporteurs étaient Gaël Maranzana, Nathalie Job.


  • Résumé

    Afin de rendre les piles à combustible à membrane échangeuse de protons viables économiquement dans le domaine automobile, des problèmes de durabilité et de coût sont à résoudre. La compréhension et le contrôle des dégradations à l'intérieur de la cellule et surtout de l'AME sont toujours le centre d’intérêt de nombreux laboratoires mais aussi d'industriels. Les milliers d'arrêt-démarrages subis par la pile provoquent une importante corrosion du support carbone. Le platine utilisé étant un catalyseur onéreux, la modélisation numérique permet l'analyse de phénomènes à moindre coût.Dans ces travaux, deux modèles ont été développés afin de modéliser les phases transitoires que sont les arrêt-démarrages. Tout d'abord, une étude sur les performances de la pile a été effectuée en utilisant le modèle. Le couplage entre les modèles le long du canal et dent/canal est introduit. Ensuite, une analyse des phénomènes se déroulant durant les arrêt-démarrages est effectuée. Des phases temporelles sont proposées afin de découper ces différents phénomènes. Le mécanisme des courants inverses (durant lequel la corrosion du carbone apparaît) est minutieusement détaillé avec l'aide du modèle. L'accent est porté sur les hétérogéneités de dégradations apparaissant entre l'entrée et la sortie mais aussi entre le canal et la dent. Enfin, le modèle est utilisé afin de simuler et proposer des stratégies de mitigations. Les tendances attendues par la littérature sont confirmées mais aussi évaluées. Parmi les idées suggerées, l'optimisation du design dent/canal tout au long du canal est proposée afin de limiter les dégradations.

  • Titre traduit

    Multi-physics modeling of startup and shutdown of a PEM fuel cell and study of the carbon support degradation : mitigation strategies and design optimization


  • Résumé

    In order to make Proton Exchange Membrane Fuel Cells economically viable for an automotive application, durability and cost problems have to be addressed. Understanding and mitigating degradations inside the cell especially in the MEA are still the focus of several laboratories and also industrials. The several thousands startups and shutdowns that the fuel cell underwent induce severe corrosion of the carbon support. As the catalyst used is expensive, namely platinum, modeling is a great asset to comprehend and analyze this phenomenon costwise.In this work, two models were developed for modeling the transient phases that are the startup and shutdown. First a performance study is presented to validate the use of the model and to introduce the coupling between the along the channel model and the rib/channel model. Then an analysis of the phenomena occurring during the startup (and shutdown) is carried out. Phases are suggested to break down the different phenomena. The reverse-current decay mechanism, when carbon corrosion occurs, is thoroughly detailed using the model. Degradation heterogeneities are highlighted whether they are between inlet and outlet or rib and channel. Finally the model is used to emulate and suggest mitigation strategies. Degradation trends are confirmed and evaluated. New ideas like an original flow field design are tested to mitigate degradation.


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