Modélisation mixte continue-réseau de pores des transferts diphasiques cathodiques d'une pile à combustible PEMFC

Cette thèse présente une contribution à l’étude des transferts d’eau au sein des piles à combustible de type PEMFC, un aspect clé de cette technologie. Une approche de simulation numérique est développée en couplant un modèle de type réseau de pores dans la couche de diffusion (DM), une approche mixte continue–réseau de pore dans la couche microporeuse (MPL) et une modélisation par compartiments dans la couche active. L’approche développée prend en compte les transferts couplés de chaleur et d’eau via notamment la modélisation des phénomènes de changement de phase dans la DM et la MPL (évaporation et condensation). Dans une première partie, nous étudions le cas où l’eau migre dans l’assemblage MPL-DM directement en phase liquide. L’impact de la variation de pression dans la phase gazeuse sur la distribution de la phase liquide est étudié. L’épaisseur optimale de la MPL est également étudiée. Dans une seconde partie, nous étudions des situations où l’eau se forme par condensation dans la couche de diffusion. Nous étudions tout d’abord l’impact des propriétés de la couche de diffusion et de la MPL sur le diagramme de condensation. Ensuite nous analysons l’impact de la formation de l’eau liquide sur la distribution de courant locale. Enfin, l’impact de la mouillabilité sur les figures de condensation est étudié. Cette dernière étude est vue comme un premier pas vers l’étude des mécanismes de dégradation dans le régime de condensation

Coupled continuum and condensation-evaporation pore network model of the cathode in polymer-electrolyte fuel cell

A model of the cathode side of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell coupling the transfers in the GDL with the phenomena taking place in the cathode catalyst layer and the protonic transport in the membrane is presented. This model combines the efficiency of pore network models to simulate the liquid water formation in the fibrous substrate of the gas diffusion layer (GDL) and the simplicity of a continuum approach in the micro-porous layer (MPL). The model allows simulating the liquid pattern inside the cathode GDL taking into account condensation and evaporation phenomena under the assumption that the water produced by the electro-chemical reactions enters the MPL in vapor form from the catalyst layer. Results show the importance of the coupling between the transfers within the various layers, especially when liquid water forms as the result of condensation in the region of the GDL fibrous substrate located below the rib

On the current distribution at the channel - rib scale in polymer-electrolyte fuel cells

Experimental results based on in-situ measurements at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer (GDL) on the cathode side at the channel e rib scale show an interesting variation of the current density distribution as the mean current density is increased. It is found that the local current density below the rib median axis corresponds to a maximum at low to intermediate mean current densities and to a minimum when the mean current density is sufficiently high. Also, the higher is the current density, the more marked the minimum. From numerical simulations, it is shown that the current density distribution inversion phenomenon is strongly correlated to the liquid water zone development within the GDL

Liquid Invasion from Multiple Inlet Sources and Optimal Gas Access in a Two-Layer Thin Porous Medium

This study builds upon previous work on single-layer invasion percolation in thin layers to incorporate a second layer with significantly different pore sizes and to study the impact of the resulting water configuration on gas-phase mass transport. We consider a situation where liquid water is injected at the assembly inlet through a series of independent injection points. The challenge is to ensure the transport of the liquid water while maintaining a good diffusive transport within the gas phase. The beneficial impact of the fine layer on the gas diffusion transport is shown. It is further shown that there exists a narrow range of fine layer thicknesses optimizing the gas transport. The results are discussed in relation with the water management issue in polymer electrolyte membrane fuel cells. Additional discussions, of more general interest in the context of thin porous system, are also offered

Mixed continuum-pore network modelling of the cathodic diphasic transfers of a fuel cell PEMFC

Cette thèse présente une contribution à l’étude des transferts d’eau au sein des piles à combustible de type PEMFC, un aspect clé de cette technologie. Une approche de simulation numérique est développée en couplant un modèle de type réseau de pores dans la couche de diffusion (DM), une approche mixte continue –réseau de pore dans la couche microporeuse (MPL) et une modélisation par compartiments dans la couche active. L’approche développée prend en compte les transferts couplés de chaleur et d’eau via notamment la modélisation des phénomènes de changement de phase dans la DM et la MPL (évaporation et condensation). Dans une première partie, nous étudions le cas où l’eau migre dans l’assemblage MPL-DM directement en phase liquide. L’impact de la variation de pression dans la phase gazeuse sur la distribution de la phase liquide est étudié. L’épaisseur optimale de la MPL est également étudiée. Dans une seconde partie, nous étudions des situations où l’eau se forme par condensation dans la couche de diffusion. Nous étudions tout d’abord l’impact des propriétés de la couche de diffusion et de la MPL sur le diagramme de condensation. Ensuite nous analysons l’impact de la formation de l’eau liquide sur la distribution de courant locale. Enfin, l’impact de la mouillabilité sur les figures de condensation est étudié. Cette dernière étude est vue comme un premier pas vers l’étude des mécanismes de dégradation dans le régime de condensation.This thesis is a contribution to the study water transfers within PEM fuel cell, a key element of this technology. A numerical simulation tool is developed coupling a pore network model in the gas diffusion layer (DM), a mixed continuum – pore network approach in the microporous layer (MPL) and a model by compartments in the catalyst layer. The developed approach takes into account the coupled heat and water transfers through the modeling of phase change phenomena (evaporation – condensation) in the DM and in the MPL. In the first part, we study the case where water migrates into the MPL-DM assembly directly in liquid phase. The impact of gas pressure variation on liquid phase distribution is studied. The optimal thickness of MPL is studied too. In the second part we study situations where liquid water essentially formed by condensation in the diffusion layer. We first study the impact of DM and MPL properties on the condensation diagram. Then we analyze the impact of liquid water formation on the local current density distribution. Finally the impact of wettability modifications on the liquid water patterns is studied. This last study is considered as a first step toward the study of degradation mechanisms in the condensation regime

Modelling of water management in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: some results from the IMPALA and IMPACT European projects on performance and durability

Modelling of water management in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: some results from the IMPALA and IMPACT European projects on performance and durabilit