Study of the relations between the performances of PEM fuel cell components and their behaviors in stacks operated in the complete system. : Development of electrical and mechanical characterization techniques
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Low Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC) is the most mature fuel cell technology, and it can be used in a variety of applications, (transport, space, stationary and portable applications). This electrochemical generator converts Hydrogen and Oxygen into electricity, heat and water through oxidoreduction reaction. PEMFC power production and overpotentials are related to the operating conditions and physical properties of cell components. Increasing cell efficiency can be achieved by reducing the overpotential losses, such as the Ohmic losses. This requires a better understanding of the relationship between the physical properties of the materials, their variation with regards to the operating conditions, and the influence of this variation on the Ohmic losses.A PEMFC is made of an electrolyte membrane covered with two catalyst layers, that are hold between two gas diffusion layers - GDLs and compressed by two Bipolar plates - BPPs. Ohmic overpotential losses are due to the protonic resistance of the membrane, to the electronic bulk resistance of the other components and to the contact resistance of interfaces between components. These resistances are function of the material nature and structure, the operating conditions such as humidity, temperature, and especially mechanical compression. This study contributes in understanding the origin of the electronic Ohmic losses, particularly those due to the GDL and its interfaces. The GDL plays several transport roles in the PEMFC by providing/evacuating reactant gases from/to BPP, conducting electrons and heat. It also contributes to water management and mechanically support (the catalyst coated membrane) so that it remains functional. The most common structure used to allow these various functions is a composite porous carbon fibers structure that can be paper or cloth. This porous structure is very sensitive to mechanical excitation which comes from variable external and internal sources generating unsteady states of stresses. In addition, the structure of the GDL exhibits a nonlinear compression stress-strain curve, with a strain hysteresis along the loading-unloading cycles. The physical properties of the GDL are affected by this behavior and need to be studied under cyclic compression in order to better approach the use conditions inside the FC, and to get a clearer idea about the contribution of the GDL to the global Ohmic losses. The optimal levels of mechanical compression must in particular be selected in order to make a trade-off between low Ohmic losses and high reactant diffusion rates.In this thesis, experimental investigations and analyses of electrical properties have been conducted on several types of commercial carbon paper GDLs:- Ex-situ characterization techniques have been used to measure the in-plane resistance according to two perpendicular directions. The impact of cyclic mechanical compression, the effects of temperature and humidity were investigated on the GDL through-plane resistance as well.- The electrical contact resistance between GDL and BPP was measured using the Transmission Line Method.It has been observed that all resistances decreased non-linearly with compression, meaning that optimal levels of compression can be obtained for PEMFC operation regarding the GDL porosity and diffusion properties. These resistances are more or less sensitive to the cycles of compression, according to the structure of the GDLs (the felt structure being the least sensitive towards cycles). The hysteresis of electrical resistance decreases with the rise of compression levels and with the number of compression cycles. Despite the GDL anisotropy observed for the in-plane resistance, some properties were unchanged with the measurement direction, such as the rate of resistance decrease with compression and the behavior towards the cycles of compression. Finally, in most cases, humidity was found to decrease the through-plane resistance of GDLs.
Abstract FR:
L’amélioration du rendement des piles à combustible à membrane polymère basse température (PEMFC), passe par une diminution des pertes liées aux surtensions, telles que les pertes ohmiques, qui dépendent des conditions de fonctionnement et des propriétés des composants. Cela implique une meilleure compréhension de la relation entre les propriétés physiques des matériaux, leur variation avec les conditions de fonctionnement et son influence sur les pertes ohmiques.Cette pile à hydrogène est constituée d’une membrane électrolyte en polymère, échangeuse de protons, couverte de deux couches catalytiques, placées entre deux couches de diffusions de gaz (GDLs), maintenues par deux plaques bipolaires (BPPs). Les pertes ohmiques sont en bonne partie dues à la résistance protonique de la membrane, mais également liées à des résistances électroniques volumiques dans les composants de cellule et à des résistances de contact entre ces éléments. Ces résistances sont fonction de la nature du matériau, de sa structure et des conditions de fonctionnement telle que l’humidité, la température et la compression mécanique exercée sur l’assemblage. Les travaux menés contribuent à la compréhension de l’origine des pertes ohmiques électroniques, en particulier celles liées à la GDL.La GDL diffuse/évacue les gaz réactifs de/vers la BPP, conduit les électrons et la chaleur, contribue à la gestion de l’eau à l’intérieur de la pile et maintient mécaniquement l’ensemble membrane-couche catalytique pour garantir son bon fonctionnement. Les structures permettant communément ces fonctions sont des structures composites poreuses en fibres de carbone sous forme de papier ou de « tissu ». Cette structure est très sensible à la sollicitation mécanique d’origines diverses générant un état de contrainte variable. De plus, le comportement mécanique de la GDL est non-linéaire et laisse apparaitre une hystérésis de déformation avec les cycles de charge-décharge en compression. Les propriétés physiques de la GDL, à l’instar de sa résistance électrique, sont affectées par ce comportement de structure. Ce qui nécessite l’utilisation de compression cyclique pour étudier l’influence de la charge mécanique afin de s’approcher au mieux des conditions de fonctionnement réelles de la pile et in fine mieux appréhender le rôle de la GDL dans les pertes ohmiques globales. Les niveaux optimaux de compression mécanique font l’objet d’un compromis entre de faibles pertes ohmiques et des performances en diffusion élevées.Dans cette thèse, une investigation des propriétés électriques a été menée sur plusieurs types de GDL papier carbone disponible dans le commerce :- Des techniques de caractérisation ex-situ ont été utilisées pour mesurer d’une part la résistance dans le plan suivant deux directions perpendiculaires et d’autre part, la résistance à travers le plan sous une contrainte mécanique cyclique. Les effets des variations de température et d’humidité ont également été analysés.- La résistance de contact entre la GDL et la plaque bipolaire a été mesurée en utilisant la méthode de transmission de ligne TLM.Une diminution non-linéaire de toutes les résistances avec l’augmentation de la compression a été observée, ce qui implique l’existence d’un niveau optimal de compression à utiliser pour la pile, compte tenu de la porosité de la GDL et de ses propriétés de diffusion. Ces résistances sont plus ou moins sensibles aux cycles de compression, selon la structure des GDLs (la structure en feutre étant la moins sensible aux cycles). L’hystérésis de la résistance électrique décroît avec le niveau de compression et le nombre de cycles.Malgré l'anisotropie de la GDL observée pour la résistance dans le plan, quelques propriétés restent invariantes avec la direction de mesure, comme le taux de décroissance de la résistance avec la compression mécanique ou l’hystérésis. Enfin, l’humidité a tendance à faire décroitre la résistance à travers le plan de la GDL.