Caractérisation par spectroscopie d'impédance de l'impédance complexe d'une pile à combustible en charge : evaluation de l'influence de l'humidité

Caracterization by Electrochemical impedance spectroscopy of the impedance of an onload fuel cell : assessment of the humidity influence

• Auteur / Autrice : El-Hassane Aglzim
• Direction : Amar Rouane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et microélectronique
• Date : Soutenance le 13/11/2009
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : IAEM - Ecole Doctorale Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIEN
• Jury : Président / Présidente : Pascal Pareige
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amar Rouane, Pascal Pareige, Marcel Gindre, Adellatif Miraoui, Mustapha Nadi, Djilali Kourtiche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdellatif Miraoui, Marcel Gindre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible

Spectroscopie d'impédance

Mots clés libres

Pile à combustible en charge

Impédance complexe

Spectroscopie d'Impédance

Humidité relative

Modélisation VHDL-AMS

Résumé

Ce travail de thèse traite de la caractérisation par Spectroscopie d'Impédance de l'impédance d'une pile à combustible en charge et plus particulièrement de l'évaluation de l'influence de l'humidité sur les performances de la pile. Après un état de l'art sur les différentes méthodes de caractérisation de l'impédance d'une pile et les différentes méthodes de mesure de l'humidité, la problématique est posée. Nous modélisons la pile Nexa de 47 cellules de type PEMFC, en intégrant des mesures expérimentales au niveau du modèle. Le modèle dynamique décrit en VHDL-AMS est un modèle au niveau macroscopique prenant en compte le côté électrique des différentes cellules constituant la pile. Ce modèle prend en compte la caractéristique des deux dernières cellules qui présentent un phénomène d'inondation remarqué lors des mesures expérimentales. Le système de purge de la Nexa est également pris en compte dans le code. L'étude expérimentale passe par la mise en place d'un banc de mesure pour la caractérisation de l'impédance de la pile Nexa par Spectroscopie d'Impédance, ainsi que la mesure de l'humidité en sortie de la pile. Les mesures d'impédances complexes corrélées à celles de l'humidité nous ont amenées à déterminer l'influence de l'humidité sur les performances de la pile. La concordance entre les résultats du modèle et ceux du banc de mesure, tant en DC que en AC, sont concluants. L'erreur constatée à l'issue de la comparaison entre les résultats théoriques et expérimentaux est inférieure à 1.5%.

This thesis deals with the characterization of the impedance of an on load fuel cell by Electrochemical Impedance Spectroscopy method and particularly the assessment of the humidity influence on the fuel cell performances. After a state of the art on different methods to characterize the impedance of a fuel cell and different methods of measuring humidity, the problem is posed. We model the PEM Nexa stack which consists of 47 cells, integrating experimental measurements. The dynamic model described in VHDL-AMS is a model at the macroscopic level, taking into account the electrical side of individual cells constituting the fuel cell. This model takes into account the characteristics of the last two cells exhibiting the phenomenon of flooding seen in experimental measurements. The purge system of the Nexa is also reflected in the code. The experimental study involves the establishment of a Testbench for characterizing the impedance of the Nexa fuel cell by Impedance spectroscopy method, and measuring the humidity at the output of the stack. The complex impedance measurements correlated with those of humidity led us to determine the influence of humidity on the performance of the fuel cell. The correlation between the model results and those of the Testbench, both in DC than in AC, are conclusive. The error in between theoretical and experimental results is less than 1.5%.