Improvement of water management in PEM fuel cells using water balance and electrochemical noise analysis
Amélioration du transport d'eau au sein des piles à combustible PEM en utilisant le bilan d'eau et l'analyse des bruits électrochimiques
Résumé
This thesis deals to optimize the performance of PEMFC fuel cells, through the development of new flow-field plate designs. Tools such as water balance and electrochemical noise analysis have been used to diagnose water management within a PEMFC single cell. Optimal management of the water transport enables an increase of the performance and durability of fuel cells. Water balance method was used to measure and frame the value of the effective water diffusion coefficient within the membranes of fuel cells. New flow-flied plate geometries have been developed and characterized by conventional polarization curve and pressure measurements. The electrochemical noise technique was used to detect phenomena related to the behavior of water during fuel cell operation for each geometry developed. Electrochemical noise measurements have been associated with source mechanisms through an experimental approach and an appropriate signal processing based on frequency and time analysis. The descriptors obtained by time and frequency analysis shows that it possible to obtain the signature in normal operation of a fuel cell using a classical serpentine. This signature was compared to the new developed designs allowing to characterize the influence of these new geometries on the water transport. Finally, to complete the experimental approach carried out on the water diffusion coefficient within the membranes of PEMFC fuel cells, a model based on polarization curve, considering this coefficient, was developed and compared to the experimental curves of performances. In perspective, the impact of the new developed geometries has been extended in a stack utilization and a prognosis model based on artificial neural networks has been proposed.
Cette thèse s’inscrit dans une démarche d’optimisation des performances des piles à combustibles PEMFC, à travers le développement de nouveaux designs de plaque d’alimentation. Des outils tel que le bilan hydrique et l’analyse des bruits électrochimiques ont été utilisés comme diagnostic de la gestion de l’eau au sein d’un mono-cellule PEMFC. Une gestion optimale du transport d’eau permet une augmentation des performances et de la durée de vie des piles à combustible. Le bilan hydrique a été utilisé pour mesurer et encadrer la valeur du coefficient de diffusion effectif de l’eau au sein des membranes de piles à combustibles. De nouvelles géométries de plaque d’alimentation ont été développées et caractériser par des mesures classiques de courbes de performance et des mesures de pression. La technique du bruit électrochimique a été utilisée pour détecter des phénomènes liés au comportement de l’eau lors du fonctionnement de la pile pour chaque géométrie développée. Le bruit électrochimique enregistré pendant ces expériences a été associé à des mécanismes sources grâce à une démarche expérimentale et à un traitement de signal approprié basé sur l’analyse fréquentielle et temporelle. Les résultats des descripteurs obtenus par l’analyse temporel et fréquentiel ont permis de d’obtenir la signature dans un fonctionnement normal de pile à combustible utilisant une géométrie classique de canaux en serpentin. Cette signature a été comparée aux nouveaux designs développés permettant de caractériser l’influence de ces nouvelles géométries sur le transport d’eau. Enfin, de manière à compléter l’approche expérimental effectuée sur le coefficient de diffusion de l’eau au sein des membranes de piles à combustibles PEMFC, une modélisation de la courbe de polarisation prenant en compte ce coefficient a été développé et comparé aux courbes de performances expérimentales. En termes d’ouverture, l’impact des nouvelles géométries développées a été étendu à leur utilisation en stack et un modèle de pronostic basé sur les réseaux de neurones artificiels a été proposé.
Origine : Version validée par le jury (STAR)