Étude des phénomènes de transfert et de transport dans une pile à combustible PEMFC en fonctionnement

par Celso-Moisés Bautista-Rodriguez

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Patrick Ozil.

Soutenue en 2004

à Grenoble INPG .

mots clés

Résumé

En ce début de troisième millénaire, la pile à combustible apparaît comme une source alternative de production d'énergie électrique non polluante et à haut rendement. Si les recherches fondamentales se poursuivent, les piles à combustible sont entrées dans une phase de développement et seront bientôt à même de satisfaire de nombreuses applications. Cette thèse présente une étude théorique et pratique de la caractérisation d'une pile à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) en fonctionnement sur une charge. Une étude statistique sur la variabilité temporelle des paramètres a révélé que ces facteurs ont des effets significatifs sur la production d'énergie électrique. Ainsi la mesure de la performance permet de mieux connaître les effets des paramètres de contrôle sur la performance de la pile. L'étude du comportement de la PEMFC a été caractérisée par l'application de la Spectroscopie d'Impédance Electrochimique (SIE). Notre étude a montré que cette méthode permet d'une part d'identifier les mécanismes de transport de matière et de transfert de charge, et d'autre part d'évaluer l'influence des conditions de fonctionnement et des matériaux utilisés. Finalement, un modèle de cœur de pile à combustible PEMFC a été développé pour simuler les courbes de polarisation et les diagrammes d'impédance. Ce modèle s'est avéré performant pour interpréter les résultats obtenus et pour analyser l'influence des conditions opératoires (pression, humidité, etc) et des paramètres géométriques (épaisseur de membrane, géométrie des électrodes à gaz, etc).

Titre traduit

Study on a electricity generator based on a PEMFC

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Résumé

At the beginning of the third millennium, the fuel cell appears to be an alternative non polluting source for electrical energy production. Nowadays the fuel cells exceeded the stage of research to enter into a development phase and they will aim at many industrial and commercial applications in the next years. This thesis presents a theoretical and practical study devoted to characterise the behaviour of a PEMFC (Proton Exchanging Membrane Fuel Cell ) running on constant load. In a first stage, a statistical study (ANOVA) on the temporal variability of the control parameters revealed that these factors have significant effects on the electric energy production. The performance measurement makes thus possible a better knowledge of the effects of these controlled parameters. In second stage, the behaviour of the PEMFC was characterised by a new Electrochemical Impedance Spectroscopy method (EIS). Our study showed that this method enable us to identify the mechanisms of mass transport and charge transfer and also to evaluate the influence of the operating conditions and materials. Finally, a model has been developed for a small PEMFC to provide an understandable prediction of the polarisation curves and impedance diagrams. This model was found to be powerful to analyse the experimental results and to study the influence of working conditions (pressure, humidity, flow rate, etc) and geometrical parameters (membrane thickness, gas diffusion, electrode geometry).