Caractérisation de la dynamique des piles à combustible PEM : étude approfondie du transport de l'eau et des gaz par modélisation et expériences personnalisées // Characterization of PEM Fuel Cells Dynamics: thorough investigation of water and gas transpo

L'objectif principal du projet de thèse proposé est de développer des outils méthodologiques, incluant la modélisation locale et des travaux expérimentaux, dédiés à la caractérisation de la dynamique des phénomènes de transport de masse dans les PEMFC.
Des travaux récents (projet ANR-DFG EPISTEL, mars 2018 – novembre 2021) menés au LRGP (laboratoire en Génie des Procédés à l'Université de Lorraine, UL) et au GREEN (laboratoire en Génie Electrique à l'UL) ont conduit à la réalisation d'un banc expérimental dédié à la spectroscopie d'impédance de pression électrochimique (EPIS) appliquée aux piles à combustible. Ce banc est piloté par une carte électronique temps réel dSPACE® (fréquence d'échantillonnage : 100 kHz), au sein de l'environnement mathématique MATLAB-Simulink® et du logiciel Controldesk® pour l'interface utilisateur. Il permet de contrôler toutes les conditions de fonctionnement (températures, débits d'entrée, humidités relatives, pressions de sortie de la pile à combustible à l'anode et à la cathode, courant), et d'effectuer l'acquisition et le traitement des données (tension, courant, débits de gaz d'entrée, pressions d'entrée et de sortie). Dans le cadre du projet, il a été utilisé en régime harmonique de pression imposé en sortie de cathode, afin d'extraire et d'analyser des spectres tension/pression sur la gamme de fréquence [1 mHz - 1 Hz]. Ce banc peut également être utilisé comme outil expérimental pour caractériser les phénomènes de transport de masse en régime transitoire.
En effet, lors de changements de la valeur du courant ou du débit côté cathodique, des variations de la pression d'entrée côté anodique ont pu être observées dans des proportions étonnantes. Cette variation de pression pourrait être le fait (i) d'un transport de gaz dans la GDL anodique, (ii) et/ou d'une sorption et désorption d'eau aux interfaces électrode-membrane, (iii) et/ou d'une distribution d'eau produite côté cathode. A l'arrêt du courant (gaz non coupés), la pression côté anodique augmente au-delà de sa valeur à l'allumage du système. Cet écart de pression peut s'expliquer en partie par une différence dans la composition globale du gaz anodique, mais le changement de la composition locale du gaz sous courant doit être pris en compte. Ensuite, la pression d'entrée de l'anode diminue lentement vers son niveau initial sans courant, conformément à la variation de pression côté cathode. Enfin, la coupure du flux d'air cathodique se traduit au niveau de l'anode par une diminution lente de la pression d'entrée, légèrement en-dessous des valeurs obtenues en transitoire (ce qui est cohérent avec la règle empirique selon laquelle le coefficient de diffusion de l'eau de la membrane diminue avec sa teneur en eau). L'ensemble des tests pourrait ainsi être utilisé pour l'estimation du coefficient de diffusion et du coefficient osmotique dans la membrane en fonction de sa teneur en eau.
En conclusion, la présente thèse vise à développer une compréhension fiable des piles à combustible PEM fonctionnant en mode transitoire, en mettant l'accent sur la caractérisation des propriétés de transport : coefficients de diffusion binaire, coefficient de traînée électro-osmotique de la membrane, coefficient de diffusion de l'eau de la membrane, perméabilité, taux de sorption/désorption. Les pressions d'entrée et les transitoires de tension induits par un changement d'échelon ou de rampe dans une condition physique (pressions de sortie, courant, débits de gaz, humidification du gaz) seront observés et analysés. Les réponses aux fluctuations sinusoïdales du courant de la cellule ou des pressions de sortie, comme dans EPIS, seront également étudiées. Au-delà de l'approche expérimentale, un modèle local bidimensionnel sera développé à l'aide du logiciel Comsol.
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The main objective of the proposed PhD project is to develop methodological tools, including local modeling and experimental work, dedicated to the characterization of the dynamics of mass transport phenomena in PEMFCs.
Recent work (ANR-DFG EPISTEL project, March 2018 – November 2021) carried out at LRGP (Process Engineering laboratory at the University of Lorraine, UL) and GREEN (Electrical Engineering laboratory at UL) led to the achievement of an experimental bench dedicated to electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) applied to fuel cells. This bench is driven by a dSPACE® real-time electronic card (sampling frequency: 100 kHz), within the MATLAB-Simulink® mathematical environment and the Controldesk® software for the user interface. It allows to control all the operating conditions (temperatures, inlet flow rates, relative humidities, fuel cell outlet pressures at the anode and cathode, current), and to perform data acquisition and treatment (voltage, current, inlet gas flow rates, inlet and outlet pressures). In the project, it was used under harmonic pressure regime imposed at cathode outlet, in order to extract and analyze voltage-to-pressure spectra over the [1 mHz - 1 Hz] frequency range. This bench can also be used as an experimental tool for characterizing mass transport phenomena in transient mode.
Indeed, when the current or flow rate value on the cathode side changes, variations in the anode side inlet pressure could be observed in surprising proportions. This pressure variation could be due to (i) gas transport in the anodic GDL, (ii) and/or water sorption and desorption at the electrode-membrane interfaces, (iii) and/or distribution of water produced on the cathode side. When the current is stopped (gases not cut off), the anode side pressure increases beyond its value at system switch-on. This pressure gap can be partly explained by a difference in the global composition of the anode gas, but the change in the local composition of the gas under current has to be considered. Then, the anode inlet pressure slowly decreases towards its initial level without current, in accordance with the pressure variation on the cathode side. Finally, cutting off the cathodic air flow results at the anode in a slow decrease of the inlet pressure, slightly below the values obtained in transient mode (this is consistent with the empirical rule giving that the membrane water diffusion coefficient decreases with its water content). The whole tests could thus be used for the estimation of the diffusion coefficient and the osmotic coefficient in the membrane depending on its water content.
To conclude, the present thesis aims at developing reliable understanding of PEM fuel cells operated in transient mode, an emphasis on the characterization of the transport properties: binary diffusion coefficients, membrane electro-osmotic drag coefficient, membrane water diffusion coefficient, permeability, sorption/desorption rates. Inlet pressures and voltage transients induced by a step or ramp change in one physical condition (outlet pressures, current, gas flow rates, gas humidification) will be observed and analysed. Responses to sine fluctuations of cell current or outlet pressures, as in EPIS, will also be investigated. For analyse purpose, experimental strategy definition and transport parameter characterization, a two-dimensional local model will be developed using Comsol software.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://anr.fr/Projet-ANR-17-CE05-0031

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Lorraine

608 SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

Personne titulaire d'un master ou d'un diplôme équivalent en génie électrique ou génie chimique. Compétences en modélisation (connaissances de Comsol serait un plus). Goût pour l'expérimentation. Ouverture d'esprit, bonne communication Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master/d'ingénieur français ou étranger, …) justifiant d'un parcours remarquable. Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter : • le CV du candidat et lettre de motivation • les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible • des lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études • des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...). Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses : melika.hinaje@univ-lorraine.fr et caroline.bonnet@univ-lorraine.fr
Person with a M.Sc. degree or equivalent in electrical engineering or chemical engineering. Modeling skills (knowledge of Comsol would be a plus). Interest in experimentation. Open-mindedness, good communication All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include: • CV and letter of motivation • the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available • 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project • written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project. The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email : melika.hinaje@univ-lorraine.fr and caroline.bonnet@univ-lorraine.fr