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Thèse Année : 2019

Coupled numerical simulation of Thermo-fluid, Electrochemical and Mechanical phenomena in a PEMFC fuel cell

Simulation Numérique Couplée des Phénomènes Thermo- fluide,Electrochimique et Mécanique dans une Pile à Combustible type PEMFC

Mohammed Jourdani
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1000777

Résumé

The study and performance analysis of a PEMFC fuel cell (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell) requires coupled modeling of phenomena that takes place during its operation: Transport and transfer of reagents, reactions electrochemical, heat transfer, and mechanical stresses. In this thesis we have developed a coupled model that takes into account all physicochemical phenomena that occur in the heart of the pile. For this we have developed a global model that includes the three sub-models: the Thermo-Fluid submodel, the submodel Electrochemical and mechanical sub-model. Indeed, the first sub-model represents the mass transport and heat transfer in different parts of the cell (channels, diffusion layers of gases, and membrane). The second represents the process of the redox reactions of the reagents in the electrodes and materializes the different voltage drops. The third concerns the mechanical behavior of the membrane due to elasto-plastic and hygrothermal deformations. The phenomena we have studied are represented by a formulation theoretical and our resolution was carried out by COMSOL MULTIPHYSIC software. We have been able to couple the three mathematical sub-models by an algorithm the interaction of physical, electrochemical and mechanical parameters within the cell. The results of our simulation, which represents coupled modeling, have been validated by experimental results from the literature and showed an improvement solutions to the results of the sequential modeling. The results showed that with a current density set at 3000A / m 2 the voltage Electrical was improved by 3% when the temperature was increased from 60 ° C to 120 ° C. Also, for the same current density, the voltage has improved by 10% when the pressure has been increased from 1 to 3 atm. This is due to the easy diffusion of gases at the interface electrode / electrolyte when increasing the pressure which leads a concentration of the reactants to the chemical reaction. The results also showed that the reduction of the membrane thickness from 175 to 75 μm allowed an increase of voltage of 11% for a current density 3000A / m2. Also, we found that the better stack performance is achieved when Relative Humidity (RH) is located between 60% and 80%, indeed, the results showed that for a voltage of 0.7V, a significant increase in current density from 2800 A / m2 to 3200 A / m2 is obtained when the HR has been increased from 40% to 80%. We also found that the increase tightening torque increases the mechanical stresses in the cell which causes a reduction in the porosity of the porous media and consequently the difficulty of diffusion gases. Simulations carried out allowed us to identify the optimal parameters of operation of the battery studied and which are: an operating temperature of 80 ° C, a gas pressure of 2 atm, a membrane thickness of 75 μm, a conductivity of 15m / s, diffusion layer porosity 0.6 and relative humidity between 60% and80%.
L’étude et l’analyse des performances d’une pile à combustible de type PEMFC (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell) exige une modélisation couplée des phénomènes qui se déroule pendant son fonctionnement : Transport et le transfert des réactifs, réactions électrochimiques, transfert de chaleur, et contraintes mécaniques. Dans cette thèse nous avons développé un modèle couplé qui prend en considération tous les phénomènes physicochimiques qui se produisent dans le coeur de la pile. Pour cela, nous avons développé un modèle global qui comporte les trois sous-modèles : le sous-modèle Thermo-Fluide, le sous-modèle Electrochimique et le sous-modèle Mécanique. En effet, le premier sous-modèle représente le transport de masse et le transfert de la chaleur dans les différentes parties de la cellule (canaux, couches de diffusion des gaz, et membrane). Le second représente le processus des réactions d’oxydoréduction des réactifs dans les électrodes et matérialise les différentes chutes de tension électriques. Le troisième concerne le comportement mécanique de la membrane dû à des déformations élasto-plastiques et hygrothermique. Les phénomènes que nous avons étudiés sont représentés par une formulation théorique et notre résolution a été effectuée par le logiciel COMSOL MULTIPHYSIC. Nous avons pu coupler les trois sous-modèles mathématiques par un algorithme mettant en oeuvre l’interaction des paramètres physiques, électrochimiques et mécaniques au sein de la cellule. Les résultats de notre simulation, qui représente une modélisation couplée, ont été validés par des résultats expérimentaux de la littérature et ont montrée une amélioration des solutions par rapport aux résultats de la modélisation séquentielle. Les résultats ont montré qu’avec une densité de courant fixée à 3000A/m2 la tension électrique s’est améliorée de 3% lorsque la température a été augmentée de 60°C à 120 °C. Également, pour la même densité de courant, la tension électrique s’est améliorée de 10% lorsque la pression a été augmentée de 1 à 3 atm. Ceci est dut à la diffusion facile des gaz au niveau de l'interface électrode/électrolyte lorsqu’on augmente la pression ce qui entraine une concentration des réactifs à la réaction chimique. Les résultats ont montré aussi que la réduction de l’épaisseur de la membrane de 175 à 75 μm a permis une augmentation de tension de 11% pour une densité de courant 3000A/m2. Aussi, nous avons constaté que la meilleure performance de la pile est obtenue lorsque l’humidité relative (RH) est située entre 60 % et 80%, en effet, les résultats ont montré que pour une tension de 0.7V, une augmentation significative de la densité de courant de 2800 A/m2 à 3200 A/m2 est obtenue lorsque la HR a été augmenté de 40% à 80%. Nous avons aussi constaté que l’augmentation du couple de serrage augmente les contraintes mécaniques dans la cellule ce qui provoque une réduction de la porosité des milieux poreux et par conséquence la difficulté de diffusion des gaz. Les simulations effectuées nous ont permis d’identifier les paramètres optimaux de fonctionnement de la pile étudiée et qui sont : une température de fonctionnement de 80°C, une pression des gaz de 2 atm, une épaisseur de la membrane de 75 μm, une conductivité de 15m/s, une porosité de couche de diffusion 0.6 et une humidité relative entre 60% et 80%.
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Dates et versions

tel-02194893 , version 1 (26-07-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02194893 , version 1

Citer

Mohammed Jourdani. Simulation Numérique Couplée des Phénomènes Thermo- fluide,Electrochimique et Mécanique dans une Pile à Combustible type PEMFC. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Mohammed V - Rabat, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02194893⟩

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