Modélisation mathématique d'une membrane PEM pour le pompage électrochimique de l'hydrogène

par Maha Rhandi

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Florence Druart et de Jonathan Deseure.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces. (laboratoire) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    La compression de l'hydrogène est une étape clef du déploiement des véhicules à hydrogène et des stations-services associées. Sa faible densité volumique d'énergie (à 300 bar la densité énergétique est de 0.75 kWh.dm-3 contre 3.4 pour le GN ou 8.8 pour l'essence) impose un stockage à des pressions élevées : 700 bar est la pression visée pour les applications transport. L'analyse du DOE [1] montre que le coût de la distribution de l'hydrogène reste un frein majeur, la compression représente 30% de cout de distribution. La compression mécanique présente de nombreux inconvénients (couts énergétiques, durabilité), la compression électrochimique est une alternative intéressante pour son efficacité énergétique, son fonctionnement sans partie mobile. De plus la compression électrochimique permet en une seule étape de compresser et purifier le gaz car seul les protons transfert d'un compartiment à l'autre. La compression électrochimique se décompose en 3 étapes : oxydation de l'hydrogène présent dans un mélange gazeux ou à faible pression suivi d'un transport des protons à travers une membrane puis réduction des protons pour former de l'hydrogène dans le compartiment « haute pression ». C'est donc ce flux d'hydrogène piloté par le courant appliqué à la cellule de compression qui permet d'augmenter la pression [2]. Cette technologie est en plein développement. Le projet européen PHAEDRUS [3] « High Pressure Hydrogen All Electrochemical Decentralized RefUeling Station” 2011-2015 : High performance hydrogen electrochemical compressor a permis de réaliser un prototype pour une station-service avec une capacité 5 kg/jour avec un facteur de compression de 25. Des membranes et électro-catalyseurs (Pt/C) commerciaux donnent déjà des performances intéressantes pour des compresseurs électrochimiques d'une part et des purificateurs d'autre part. Les démonstrateurs des sociétés Nuvera (USA) et HyET (Pays-Bas) [4 ,5] développent des compresseurs électrochimiques qui sont au niveau laboratoire et démonstrateurs. Il est cependant nécessaire d'augmenter les performances et atteindre des objectifs pour des flux encore plus importants d'hydrogène c'est-à-dire des fonctionnements de cellule à très haute densité de courant (2 A.cm-2) et forte pression (700 bar). Des membranes de type Nafion sont généralement utilisées [2] (on retrouve les matériaux des assemblages des PEMFC ou électrolyseur PEMWE), la conduction des protons dépend donc du niveau d'hydratation de la cellule, les pressions élevées favorisent la condensation de l'eau et la cellule est soumise à des contraintes mécaniques importantes. Dans des conditions de haute densité de courant, la problématique de la gestion de l'eau est amplifiée [6]. Le transfert du flux de protons est très élevé. Si sur une cellule de compression, on peut atteindre des densités de courants importantes, au contraire dans des stacks, le fonctionnement des cellules est hétérogène, la gestion des flux, de la température et de l'eau sont très complexes. Les performances en termes de flux d'hydrogène sont donc plus faibles avec des densités de courant de l'ordre de 0,5 A.cm-2. Dans le programme hydrogène du DOE, Ludwig Lipp [7] propose de gérer thermiquement les cellules des stacks en augmentant les surfaces d'échanges convectifs pour atteindre des conditions opératoires adéquates. Ainsi ils ont doublé la densité de courant et atteint des densités de 0,8 A.cm-2. Le CEA [8] propose d'ajuster la surface des cellules et donc la densité de courant pour rester dans des conditions opératoires optimales. Cependant, du point de vue théorique, le comportement de l'eau est incomplètement abordé dans la littérature. Citons notamment le paradoxe Schroeder qui fait apparaitre une discontinuité dans la contenance en eau de la membrane, si celle-ci est exposée à de la vapeur saturée ou à l'eau liquide. En effet, le bilan d'énergie entre la condensation/vaporisation et les tentions superficielles (capillarité de la membrane) pourrait être un angle originale d'approche de cette problématique. Ainsi les gestions thermique et hydrique semblent fortement liées et à cela s'ajoute un transport électro-osmotique intense avec un chauffage ohmique important du fait des fortes densités de courant. Cette problématique est donc complexe et riche d'interactions originales.

  • Titre traduit

    Mathematical modelling of PEM membrane for Electrochemical Hydrogen Pumping


  • Résumé

    Hydrogen compression is a key step in the deployment of hydrogen fuel cell vehicles and hydrogen fueling stations. Its low density of energy (at 300 bar density is 0.75 kWh/ dm3 against 3.4 for the Natural Gas or 8.8 for gasoline) requires storage at high pressures: 700 bar is the pressure targeted by transport applications. DOE analysis shows that the cost of hydrogen distribution remains a major constraint; compression represents 30% of distribution cost. Mechanical compression has numerous disadvantages (energy costs, durability), electrochemical compression is an interesting alternative for its efficiency, its operation without moving parts. Moreover, using electrochemical compression, compression and purification are performed in one single step. Indeed, only the protons and water transfer from one compartment to the other. Thesis is decomposed in two tasks: 1) Multi-physics model 'high current density' Cell behaviors are mainly governed by the operating current density, the water management and other operating conditions such as temperature and pressure. In first approach we will develop a multiphysical model including charge, mass and heat transfer. A Fussy attention will be paid to water transfer through the membrane and to water phase transition (e.g. condensation). The high pressure effects will be implemented in this model. As far as possible, the simulations will be compared to the experimental measurements available in the literature for high pressure levels (700 bar). 2) Thermal and hydric moisture study of a cell At LEPMI, a test-bench is available to control the incoming gases humidity and the pressure of each cell compartments with a pressure setting range 1- 6 bar as well as the cell temperature. The hydrogen flow through commercial membrane cells will be tested with varying current density, temperature and hydration values. These low-pressure tests will feed back the developed model of hydrogen and water transfers. Thermal study will be also considerate (i.e. calorimetric measurements and heat flux on a cell) in order to understand the processes which are involved in the transfer of water from one compartment to the other one. This approach will allow a relevant and an original modeling of water management.