Modeling Oxygen Concentration Oscillation in the Gas channel of Polymer Electrolyte Fuel Cells: a Comparison between Numerical and Analytical Approaches

Considering the complexity of the electrical behavior (polarization curve and impedance spectrum) of PEFC and the lack of relevant models that could be used to identify the main transport parameters in Membrane Electrode Assemblies (MEA), a semi-analytical pseudo-bidimensionnal model is currently developed. Its main characteristics are first recalled. Then the results of a full numerical two-dimensional model are compared to those of the pseudo-bidimensionnal approach and analyzed. It is shown that oxygen diffusion inside the GDL can be considered as a 1D diffusion without any appreciable discrepancy and that the electrode can be modeled as a plane without major error either on impedance spectrum or polarization curve. Oxygen diffusion through the gas channel reveals an important discrepancy between volumetric and plane descriptions, leading to the necessity of a more complex model of the fluid flow in the gas channel

Modélisation thermique des composants électroniques de puissance par la méthode des quadripôles

Non disponible / Not availableLe contrôle thermique est un point clef de la conception des équipements électroniques. En effet les caractéristiques de fonctionnement des composants et la fiabilité des systèmes dépendent fortement de la température. Nous avons développé un outil de modélisation des transferts de chaleur dans les composants électroniques de puissance qui permet d'optimiser leur structure d'un point de vue thermique. Ses performances en terme de temps de calcul permettent cette optimisation sans avoir recours à des modèles réduits. La méthode ne nécessite pas de maillage de la structure et son caractère analytique en fait une méthode adaptée à la caractérisation expérimentale des composants. Le premier chapitre est consacré à la mise en place des outils de modélisation thermique de structures à géométrie multibloc, c'est-à-dire de structures composées d'empilements pyramidaux de blocs parallélépipédiques, géométries caractéristiques des composants électroniques de puissance. Le deuxième chapitre est centré sur la validation et l'estimation des performances de la méthode. La simulation thermique d'un module IGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor) est réalisée. Une procédure de conception optimale d'un diffuseur est proposée. La faisabilité de la prise en compte par la méthode des quadripôles thermiques du couplage entre un canal fluide et ses parois solides, ou de la modélisation d'un radiateur à ailettes, est également démontrée. Le troisième et dernier chapitre est consacré à la mise au point d'outils de caractérisation d'empilements, de métrologie de température sur les IGBTs et de fluxmètrie par conduction inverse. Une procédure de mesure de température sur la surface d'un composant est également mise au point. La mesure est réalisée par thermographie infrarouge, phosphorescence induite U.V. et par l'intermédiaire d'un paramètre thermosensible afin de procéder à la cartographie des émissivités. La perspective d'utiliser un composant électronique comme fluxmètre est également envisagée

Modélisation thermique des composants électroniques de puissance par la méthode des quadripôles

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Transfert d'eau et de chaleur dans une pile à combustible à membrane (mise en évidence expérimentale du couplage et analyse des mécanismes)

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir efficacement de l'énergie chimique en électricité. Pour cela l'hydrogène s'oxyde sur une des électrodes de la pile, les protons ainsi créés traversent l'électrolyte (membrane) tandis que les électrons parcourant le circuit extérieur fournissent l'énergie électrique. Tous ces éléments se recombinent à la seconde électrode qui, à l'aide de la réduction de l'oxygène, va former de l'eau. Le rendement n'étant pas parfait, une partie de l'énergie des réactifs est aussi dégradée sous forme de chaleur. Malgré de récents progrès, la commercialisation à grande échelle des piles à combustible est toujours entravée par des problèmes de durabilité, liés notamment à la gestion de l'eau et de la température au sein de ce système. Afin de quantifier le comportement thermique et son effet sur le transport de l'eau, une pile à combustible a été instrumentée, permettant la mesure de la température aux électrodes, des flux de chaleur et d'eau. Les résultats montrent que de forts gradients de température (jusqu'à environ 30 K/mm) peuvent exister pour une pile fonctionnant dans des conditions standard. Il a été observé une nette influence du champ de température dans le coeur de pile sur le transport de l'eau qui se fait vers la partie la plus froide de la pile (généralement les canaux d'alimentation), l'eau traversant les couches de diffusion poreuses sous forme vapeur dans nos conditions expérimentalesProton exchange membrane fuel cells (PEMFC) make it possible to convert efficiently chemical energy into electricity. For this, hydrogen is oxidized at one of the electrodes of the cell, created protons pass through the electrolyte (membrane) while electrons flow across the external circuit provide the electrical energy. All these elements recombine at the second electrode, with oxygen, to produce water. Performance is not perfect within a cell and a part of the reactants energy is also degraded as heat. Despite recent advances, the large scale commercialization of PEMFC is still hampered by durability issues, some of them being related to water and thermal management. In order to quantify the thermal behavior and its effect on the water transport, a fuel cell has been instrumented for the electrodes temperature, water and heat fluxes measurement. The results show that high temperature gradients (up to about 30 K/mm) can exist in a cell operating under standard conditions. It was observed a clear influence of the temperature field in the cell on the water transport. Water flows towards the coldest part of the cell (usually the channels), passing through the porous layers in vapor phase in our experimental conditionsMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Gestion de l'eau dans un système pile à combustible pour traction automobile (transferts couplés dans un humidificateur membranaire)

Ce mémoire présente une synthèse des travaux dont l'objectif est de résoudre la problématique de la gestion de l'eau dans un système Pile à Combustible de type PEM en utilisant un humidificateur externe. Une analyse des différents organes de la ligne d'air du système, et plus spécifiquement de l'humidificateur membranaire, est réalisée afin d'en déterminer l'architecture la mieux adaptée aux conditions opératoires. Cette étude passe par la description et la compréhension des transferts de matière et de chaleur au sein de l'humidificateur, à travers des approches aussi bien numériques qu'expérimentales. Le volet numérique comporte un modèle fin de transferts couplés à travers une membrane en Nafion. Associé à une analyse thermodynamique du système d'humidification, il permet de définir deux paramètres caractérisant respectivement les échanges de matière et de chaleur aussi bien en fonction des conditions d'entrée des fluides qu'en fonction des caractéristiques géométriques de l'échangeur. Ces paramètres s'avèrent être des outils de dimensionnement intéressants. Le volet expérimental permet d'évaluer les interactions entre une pile à combustible, l'humidificateur membranaire et les autres organes de la ligne d'air. Outre l'analyse de la réponse de chaque composant à une variation du courant délivré par la pile, les investigations ont permis de vérifier que les conditions opératoires du système sont compatibles avec la technologie d'humidification choisie.This report presents a synthesis of works carried out in order to solve the water management problematic in a PEM fuel cell system. An analysis of the different components of the system air line, and more specifically the membrane humidifier, is realized in order to determine the architecture allowing the optimal moisture content of air upstream the fuel cell whatever the operating conditions. This study involves the description and the understanding of coupled heat and mass transfers within the humidifier, through numerical and experimental approaches. The numerical section contains a model of coupled transfer through a Nafion membrane. Associated with a thermodynamic analysis of the humidifier, it allows to define two parameters characterizing respectively the mass exchanges and the heat transfers, according to the inlet conditions of the fluids or as well as to the exchanger geometry. These parameters turn out to be useful design tools. The experimental section allows to estimate the interactions between a fuel cell, the humidifier and the other air line components. Besides the analysis of components response to a current intensity variation, the investigations allowed to demonstrate that the operating conditions of the system is compatible with the chosen humidification technology.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Local impedance in H2/air Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) (theoretical and experimental investigations)

Cette thèse apporte des éléments de compréhension de la boucle basse fréquence des spectres d'impédance de PEMFC H2/air. Différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène alternatives à l'élément de Warburg sont proposées. Elles prennent en compte des phénomènes de transport dans les directions perpendiculaire et parallèle à l'électrode qui sont habituellement négligés: convection à travers la GDL et le long du canal d'air, résistance protonique de la couche catalytique et appauvrissement en oxygène entre l'entrée et la sortie de la cellule. Une attention particulière est portée sur les oscillations de concentration induites par le signal de mesure qui se propagent le long du canal d'air. Ces différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène sont utilisées dans un circuit électrique équivalent destiné à simuler l'impédance de la cellule. Une comparaison entre résultats expérimentaux et théoriques permet d'identifier les paramètres du circuit électrique. A partir de ces paramètres, il est possible d'analyser les mécanismes physiques et électro-chimiques qui se produisent dans la pile, ainsi que de tirer certaines conclusions sur les phénomènes de transport de l'oxygène dans les milieux poreux de la cathode. Pour cela, nous avons utilité des cellules segmentées et instrumentées conçues et fabriquées au laboratoireThe aim of this Ph.D thesis is to contribute to a better understanding of the low frequency loop in impedance spectra of H2/air fed PEMFC and to bring information about the main origin(s) of the oxygen transport impedance through the porous media of the cathode via locally resolved EIS. Different expressions of the oxygen transport impedance alternative to the one-dimensional finite Warburg element are proposed. They account for phenomena occurring in the directions perpendicular and parallel to the electrode plane that are not considered usually: convection through the GDL and along the channel, finite proton conduction in the catalyst layer, and oxygen depletion between the cathode inlet and outlet. A special interest is brought to the oxygen concentration oscillations induced by the AC measuring signal that propagate along the gas channel and to their impact on the local impedance downstream. These expressions of the oxygen transport impedance are used in an equivalent electrical circuit modeling the impedance of the whole cell. Experimental results are obtained with instrumented and segmented cells designed and built in our group. Their confrontation with numerical results allows to identify parameters characterizing the physical and electrochemical processes in the MEANANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Design optimization of a spreader heat sink for power electronics

International audienc

Développement d’un compresseur électrochimique pour des applications aérospatiales

Parmi les mille complexités de l'observation extraterrestre, il y a le fait qu'un capteur d'ondes radio ou infrarouges émet des radiations électromagnétiques. Il est donc nécessaire de neutraliser ces ondes par le froid extrême pour améliorer la qualité de l'observation. Le compresseur électrochimique développé dans le cadre de cette étude en collaboration avec l'Agence Spatiale Européenne produirait de l'hydrogène à haute pression qui serait ensuite introduit dans une expansion Joule-Thomson. Ce processus générerait suffisamment de froid, jusqu'à - 253 °C. À cette température, l'hydrogène est à l'état liquide, ce qui permet de refroidir les capteurs et de neutraliser le rayonnement électromagnétique qu'ils produisent. Le défi majeur d'un tel système de compression électrochimique demeure la gestion de l'eau. En effet, il est fondamental que l'hydrogène soit humifié pour améliorer le transfert de charge à travers la membrane polymère. En revanche, le flux d'hydrogène à haute pression qui est produit doit être rigoureusement sec avant l'expansion Joule-Thomson. La possibilité d'utiliser un échangeur d'eau à membrane à contre-courant en série avec le compresseur électrochimique est explorée, ce qui permet de sécher le flux d'hydrogène produit (qui est comprimé et humide) et d'humidifier en même temps le flux d'hydrogène sec à basse pression. Dans cette étude, la compression de l’hydrogène de 1 à 100 bars a été réalisée en une seule étape. Un débit d'hydrogène de 6 NL/h à 100 bar et 20 °C a été obtenu en fournissant 3 W de puissance électrique dans une cellule élémentaire. Néanmoins, l'optimisation de l'efficacité énergétique de la compression de l'hydrogène nécessite également la sélection des matériaux les plus appropriés ainsi que des stratégies pour optimiser la gestion de l'eau. Des couches de diffusion en titane fritté avec différentes porosités ont été utilisées, ainsi que différentes membranes PFSA. Parallèlement, un gradient de température entre les deux compartiments du compresseur a été appliqué pour éviter la condensation de l'eau dans le système. Cette solution permet d'améliorer la stabilité du système. Les performances obtenues avec les différents matériaux et dans différentes conditions de fonctionnement seront présentées

Operating heterogeneities in a PEM Electrochemical Hydrogen Compressor

International audienceIn this study, the local behavior of an electrochemical hydrogen compressor (EHC) was investigated. A local dehydration of the polymer electrolyte membrane (PEM) was experimentally observed, due to the unbalanced contribution of the electro-osmosis flow and the back diffusion of water across the membrane. Such operating heterogeneities can significantly affect the overall efficiency of an EHC. A pseudo 2D model was developed along with experimental studies in order to estimate the physical parameters enhancing the overall efficiency of the system. 1. Introduction Electrochemical hydrogen compressor (EHC) has proven to be a valid solution to compress hydrogen. Even though pressures up to 1000 bar can be reached using an EHC [1], very high pressure gradients can cause issues related to sealing and the diffusion of dissolved hydrogen molecules across the membrane from the high pressure cathode to the low pressure anode, decreasing the overall efficiency. Rohland et al. [2] showed that hydrogen permeation across the membrane is a function of both the pressure gradient and the temperature. In particular, they showed that the higher the EHC temperature, the higher the hydrogen permeation. Grigoriev et al. [3] showed that it is possible to compress hydrogen from atmospheric pressure to 48 bar in a single step with an energy consumption of 0.3 kWh/Nm 3 and an efficiency around 50%. This value is in average higher than those obtained with mechanical compressors [4]. Water management is an important issue in an EHC. As in proton electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), the polymer electrolyte membrane (PEM) has to be hydrated in order to enhance its proton conductivity. Nevertheless, contrarily to PEMFCs, water is not a reaction product in an EHC, thus it needs to be fed along with hydrogen in order to preserve the optimal hydration degree of the membrane. Onda et al. [5] found that both the hydrogen concentration in the gas distribution channels and the current density distribution decrease along the channel direction during operation. This behavior was found to be directly related to the water transport across the membrane. Heterogeneities in the distribution of the electric resistances are the main consequence of the unstable water flow across the membrane: specifically, the local dehydration of the membrane can lead to an increase of the electric resistance of the system, which in turn makes the current density decreasing. In this study, the local behavior of an EHC is investigated and the effect of the humidity of feed gas, temperature and membrane thickness was evaluated and discussed. A pseudo 2D model taking into account the overall mass and energy balance occurring in the EHC, as well as the heterogeneities introduced above, was developed along with the experimental investigation

Direct borohydride fuel cells: A selected review of their reaction mechanisms, electrocatalysts, and influence of operating parameters on their performance

International audienceDirect borohydride fuel cells (DBFC) oxidize an easily-stored energy-dense borohydride fuel (sodium borohydride: NaBH4), that in theory reacts ca. 400 mV below H2 and produce 8 electrons per BH4anion. However, the borohydride oxidation reaction (BOR) does not fully meet these promises in practice: the electrocatalyst nature, structure and state-of-surface, and the operating conditions (pH, BH4concentration, temperature, fluxes) noticeably influence the BOR kinetics and mechanism. Nickel and platinum-based catalysts both have assets for the BOR. DBFCs can only yield decent performance if their separator combines high ionconductivity and efficient separation of the reactants; cation-exchange membranes, anionexchange membranes, bipolar membranes and porous separators all have their own advantages and drawbacks. Besides the anode, the choice of separator must consider the DBFC cathode reaction, where oxygen (air) or hydrogen peroxide are reduced, provided adapted catalysts are used. All these aspects drive the DBFC performance and stability/durability