Un modèle physique multiéchelle de la dynamique électrochimique dans une pile à combustible à électrolyte polymère – Une approche Bond Graph dimension infinie. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

A physical multiscale model of the electrochemical dynamics in a polymer electrolyte fuel cell – An infinite dimensional Bond Graph approach.

Un modèle physique multiéchelle de la dynamique électrochimique dans une pile à combustible à électrolyte polymère – Une approche Bond Graph dimension infinie.

Résumé

In order to analyze the experimental results of impedance spectroscopy on electrodes of Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC), we have developed a new knowledge model to understand the dynamic behaviour of a Membrane-Electrodes Assembly. This multiscale and mechanistic model, is based on irreversible thermodynamics and electrodynamics, and depends on the internal physical parameters, such as the effective electrode surface, the electric permittivity of the materials, the reaction kinetics and the diffusion coefficients of the reactive species.
The model results of the coupling of a microscopic scale transport phenomena description of charges (electrons and protons) through the electrode and the electrolyte thickness, a spatially distributed microscopic model of the reactant diffusion (hydrogen and oxygen) through the Nafion® layer covering the Pt/C particles, and a spatially distributed nanoscopic description of the Nafion®-Pt/C interface. This interfacial model is based on an internal description of the electrochemical double layer dynamics, coupling the transport phenomena in the diffuse layer and the electrochemical reactions and water adsorption in the compact layer.
This multiscale model introduces many couplings between different physical domains, such as diffusion-migration transport and electrochemistry. A distributed-parameter Bond Graph of this model has allowed to calculate the causalities of the different couplings, using 20-Sim®, and to give the model a modular structure (allowing to include other physico-chemical phenomena, or to be adapted and re-used in other electrochemical systems). The numerical resolution has been performed in Matlab/Simulink® coupled to Femlab® (finite elements method)
The system dynamics, depending on the current, the temperature, the reactant pressures, and the structural composition of the electrodes can be simulated. The model allows evaluating the sensitivity of impedance spectra to operating conditions and electrodes composition, and it gives access to the contributions of the different phenomena and constitutive layers.
An experimental validation of the model was carried out on a specific bench and single cell. Impedance spectroscopy measurements achieved on the test bench have allowed the validation of the proposed model and the estimation of some of its parameters.
En vue d'analyser les résultats expérimentaux de spectroscopie d'impédance sur des électrodes de piles à combustible de type PEFC, nous avons développé un nouveau modèle de connaissance et de compréhension du comportement dynamique d'un assemblage Electrodes-Membrane. Ce modèle, de nature multiéchelle et mécanistique, est basé sur la thermodynamique irréversible et l'électrodynamique. Il dépend des paramètres physiques internes, tels que la surface active spécifique, les permittivités électriques des matériaux, les constantes cinétiques et les coefficients de diffusion des réactifs.
Le modèle réalise le couplage d'une description des phénomènes de transport de charges (électronique et protonique) à travers l'épaisseur des électrodes et de la membrane, avec des modèles spatialement distribués de l'interface nanoscopique Nafion®-Pt/C et de la diffusion des réactifs (hydrogène et oxygène) à travers la couche de Nafion® recouvrant les particules de Pt/C. Le modèle interfacial nanoscopique est basé sur une nouvelle description interne de la dynamique de la double couche électrochimique prenant en compte à la fois les phénomènes de transport dans la couche diffuse et les réactions électrochimiques et l'adsorption d'eau dans la couche compacte.
Des nombreux couplages entre domaines de la physique, comme le transport par diffusion-migration et l'électrochimie, sont introduits. L'écriture du Bond Graph dimension infinie de ce modèle nous a permis de déterminer les causalités de ces différents couplages, à l'aide de 20-Sim®, et de le doter d'une structure modulaire et modulable (pour l'incorporation future d'autres phénomènes physico-chimiques, ou sa réutilisation dans d'autres systèmes électrochimiques). Enfin, la résolution numérique a été réalisée sous Matlab/Simulink® couplé à Femlab® (méthode d'éléments finis).
La réponse dynamique d'une cellule de PEFC, dépendante du courant, de la température, des pressions de réactifs et de la composition structurale des électrodes, peut être simulée. Le modèle permet d'évaluer la sensibilité des spectres d'impédance aux conditions de fonctionnement et à la composition des électrodes, ainsi que les contributions des différents phénomènes et couches constitutives.
Nous avons réalisé un protocole expérimental sur une cellule PEFC de petite taille en vue de valider le modèle. Les mesures de spectroscopie d'impédance réalisées sur ce banc ont permis la validation des modèles proposés ainsi que l'estimation partielle de ses paramètres.
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Dates et versions

tel-00110968 , version 1 (02-11-2006)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00110968 , version 1

Citer

Alejandro Antonio Franco. Un modèle physique multiéchelle de la dynamique électrochimique dans une pile à combustible à électrolyte polymère – Une approche Bond Graph dimension infinie.. Modélisation et simulation. Université Claude Bernard - Lyon I, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00110968⟩
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