Contribution à la caractérisation thermique et fluidique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)

Contribution at thermal and fluidic caracterization for a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)

• Auteur / Autrice : Laurent Dumercy
• Direction : Jean-Marie Kauffmann, Hasna Louahlia-Gualous, Raynal Glises de la Rivière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Procédé et traitement de l'énergie électrique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Université de Technologie de Belfort-Montbéliard
• Jury : Président / Présidente : André Lallemand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hassan Peerhossaini, Stéphan Astier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible

Résumé

L'objet de la thèse porte sur la modélisation thermique et fluidique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de proton. La gestion de la température interne de la pile influe sur ses performances, soit directement au niveau de la réaction électrochimique, soit par la détermination de ses caractéristiques internes (hydratation de la membrane, résistance à la diffusion dans les zones poreuses). La modélisation s'est effectuée suivant deux axes. D'une part, le comportement thermique a été appréhendé au niveau global. La pile est étudiée, dans son ensemble, sous la forme d'un réseau de résistances thermiques et de sources de chaleur (création de chaleur par la réaction électrochimique, échanges avec les fluides). Des conditions aux limites de Dirichlet ont été utilisées pour fixer les températures de surface. Le maillage du réseau est affiné pour modéliser la cellule centrale. Des conditions aux limites particulières sont appliquées à cette cellule afin de quantifier l'influence des autres. La cellule étudiée peut ainsi être simulée en fonctionnement adiabatique, en série ou en dissipant avec l'extérieur. D'autre part, les canaux anode et cathode ont été étudiés avec un modèle spécifique, basé sur le calcul par différences finies d'un système d'équations différentielles. Prenant en compte les principales grandeurs physiques et thermophysiques (pressions, débits, coefficients d'échange d'eau et de chaleur), il couple les grandeurs internes aux canaux et l'état thermique du système global. L'étude du changement de phase de l'eau dans les canaux, son transfert entre l'anode et la cathode et son influence sur le bilan thermique de la pile sont étudiés.

The aim of this thesis is the thermal and fluidic model of a proton exchange membrane fuel cell. The management of the internal temperature of the fuel cell affect performance, in one hand directly on the electrochemical reaction, in the other hand by determination of their internal caracteristics (hydratation of the membrane, diffusion resistance in the porous area). The modelisation is made between two axis. At first, the thermal behavior is taken into account in the global form. The fuel cell is studed as a whole with a thermal resistance network et heat sources (heat supply by electrochemical reaction, exchanges with fluids). Dirichlet boundary conditions have been used to force surface temperatures. The meshing of the network is shrink for modelizing the central cell. Specific boundary conditions are applied at this cell for quantify intterference of neighboring cells. The studied cell can be used, in this case, on many situations : adiabatic, in serial or with a external flux. In addition, anode and cathode channel have been studied with a specific model, based on the compting by finites differences of a differential equations system. Taking into account the most important physical and thermophysical quantities (pressions, flow rates, water and heat exchange coefficients), it couple internal quantities off the channel et thermal state of the overall system. The studies of the pahse change of water in the channel, his transfert beetwen the anode and the cathode and his influence on the thermal balance are studed.