Characterization and modeling of PEM fuel cells and electrolyzers at varying operating conditions with the aim of associating them

La pénétration importante des énergies renouvelables dans le mix énergétique actuel requiert le développement de nouveaux systèmes de stockage d'électricité afin de pallier l'intermittence et les fluctuations de leur production. Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’utilisation de l’hydrogène comme futur vecteur énergétique. Plus exactement, sa motivation concrète est la « batterie hydrogène » qui est un des candidats pour le stockage d’électricité sous forme chimique. Ce concept associe une pile à combustible, un électrolyseur et un stockage d’H2. Parmi les différentes technologies de piles à combustible, la technologie PEM (Proton Exchange Membrane) fonctionnant à basse température (autour de 80° C) est la plus mature ; cette même technologie PEM connaît également un rapide essor pour les électrolyseurs de l’eau. Nos travaux visent à étudier par une approche générique ces deux composants - pile à combustible et électrolyseur - structurellement identiques, afin de les modéliser et d’optimiser leur association d’un point de vue à la fois énergétique et fonctionnel. Une approche commune de description, caractérisation et de modélisation des principaux phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans les deux composants a été retenue. Une partie importante de cette thèse a été consacrée à des travaux expérimentaux, notamment le développement de moyens d’essais : amélioration d’un banc mono-cellule pile à combustible existant pour fonctionner en H2/air avec des conditions opératoires variables et création d’un banc électrolyseur. La méthodologie retenue pour les investigations expérimentales est celle des plans d’expérience : des plans factoriels complets à 2 et 3 niveaux ont été mis en œuvre. Une fois la base de données constituée, l’enjeu est de paramétrer de manière la plus pertinente possible les modèles semi-empiriques élaborés. Le LAPLACE, comme d’autres, a beaucoup travaillé à ce jour sur la séparation des différents phénomènes physicochimiques par des approches fréquentielles/temporelles. Les présentes recherches ouvrent une nouvelle voie qui consiste à les découpler aussi en fonction de leur sensibilité aux conditions opératoires (température et pression principalement). Cela a mené à la conceptualisation d’une nouvelle approche systémique pour l’étude des composants PEM et à la mise au point d’une nouvelle méthodologie de paramétrisation du modèle d’impédance PAC : la méthode multi-spectres - multi-conditions opératoires. Un modèle de courbe de polarisation dépendant des conditions opératoires a été formulé pour chaque composant, et son caractère prédictif a été évalué dans les deux cas. Enfin, la richesse des données expérimentales a permis d’identifier de nouveaux phénomènes à prendre en compte dans les modèles quasistatique et dynamique petit signal de la pile à combustible : à savoir une tension mixte permettant d’expliquer la tension à vide (OCV), et l’impédance de canal comme explication au décalage systématiquement observé entre la dérivée de la courbe de polarisation et la résistance basse fréquence des spectres d’impédance, respectivement.An increasing share of the intermittent and fluctuating renewable energy sources in the current energy mix requires the development of new energy storage solutions. This PhD thesis falls within the context of the use of hydrogen as a future energy carrier. More precisely, the objective is a regenerative fuel cell, which is a potential candidate to store electricity as chemical energy. Such a device associates a fuel cell, an electrolyzer and a hydrogen storage. Among the different fuel cell technologies, low temperature (around 80 °C) PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cells are the most mature, and PEM water electrolyzers are now rapidly developing. This work is aimed to study these two structurally identical components (fuel cell and electrolyzer) using a generic approach, in order to model their behavior and to optimize their association. Common description, characterization and modeling of the main physico-chemical phenomena occurring in both components have been undertaken. A significant part of this PhD thesis has been dedicated to experimental work, in particular to the development of test facilities. First a single cell fuel cell test bench was upgraded for a H2/air feed and varying operating conditions functioning; then an electrolysis test bench was created. The design of experiment technique was used by means of full factorial plans of experiments of two and three levels. Once the database is obtained, the issue is to adequately parameterize the semi-empirical models constructed. Like others, the LAPLACE has so far worked on separating the various physicochemical phenomena according to their frequency/temporal response. These researches open a new way consisting in distinguishing these phenomena also thanks to their respective sensitivity to the operating variables (temperature and pressure principally). This led to the conceptualization of a new systemic approach for the study of PEM components and the development of a new parameterization methodology for the fuel cell impedance model: simultaneous fitting of numerous impedance spectra plotted at several current densities at different operating conditions. A steady-state model, adaptive to the operating conditions, was formulated for each component. Their respective prediction ability was evaluated. Finally the diversity and quantity of experimental data allowed us to identify new phenomena to be taken into account in the fuel cell steady-state model and dynamic small-signal model. First a mixed potential was considered to explain the open circuit voltage (OCV), then a gas channel impedance was introduced to describe and represent the consistently observed bias between the low frequency resistance and the slope of the polarization curve

Caractérisation et modélisation de piles à combustible et d'électrolyseurs PEM à conditions opératoires variables en vue de leur association

An increasing share of the intermittent and fluctuating renewable energy sources in the current energy mix requires the development of new energy storage solutions. This PhD thesis falls within the context of the use of hydrogen as a future energy carrier. More precisely, the objective is a regenerative fuel cell, which is a potential candidate to store electricity as chemical energy. Such a device associates a fuel cell, an electrolyzer and a hydrogen storage. Among the different fuel cell technologies, low temperature (around 80 °C) PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cells are the most mature, and PEM water electrolyzers are now rapidly developing. This work is aimed to study these two structurally identical components (fuel cell and electrolyzer) using a generic approach, in order to model their behavior and to optimize their association. Common description, characterization and modeling of the main physico-chemical phenomena occurring in both components have been undertaken. A significant part of this PhD thesis has been dedicated to experimental work, in particular to the development of test facilities. First a single cell fuel cell test bench was upgraded for a H2/air feed and varying operating conditions functioning; then an electrolysis test bench was created. The design of experiment technique was used by means of full factorial plans of experiments of two and three levels. Once the database is obtained, the issue is to adequately parameterize the semi-empirical models constructed. Like others, the LAPLACE has so far worked on separating the various physicochemical phenomena according to their frequency/temporal response. These researches open a new way consisting in distinguishing these phenomena also thanks to their respective sensitivity to the operating variables (temperature and pressure principally). This led to the conceptualization of a new systemic approach for the study of PEM components and the development of a new parameterization methodology for the fuel cell impedance model: simultaneous fitting of numerous impedance spectra plotted at several current densities at different operating conditions. A steady-state model, adaptive to the operating conditions, was formulated for each component. Their respective prediction ability was evaluated. Finally the diversity and quantity of experimental data allowed us to identify new phenomena to be taken into account in the fuel cell steady-state model and dynamic small-signal model. First a mixed potential was considered to explain the open circuit voltage (OCV), then a gas channel impedance was introduced to describe and represent the consistently observed bias between the low frequency resistance and the slope of the polarization curve.La pénétration importante des énergies renouvelables dans le mix énergétique actuel requiert le développement de nouveaux systèmes de stockage d'électricité afin de pallier l'intermittence et les fluctuations de leur production. Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’utilisation de l’hydrogène comme futur vecteur énergétique. Plus exactement, sa motivation concrète est la « batterie hydrogène » qui est un des candidats pour le stockage d’électricité sous forme chimique. Ce concept associe une pile à combustible, un électrolyseur et un stockage d’H2. Parmi les différentes technologies de piles à combustible, la technologie PEM (Proton Exchange Membrane) fonctionnant à basse température (autour de 80° C) est la plus mature ; cette même technologie PEM connaît également un rapide essor pour les électrolyseurs de l’eau. Nos travaux visent à étudier par une approche générique ces deux composants - pile à combustible et électrolyseur - structurellement identiques, afin de les modéliser et d’optimiser leur association d’un point de vue à la fois énergétique et fonctionnel. Une approche commune de description, caractérisation et de modélisation des principaux phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans les deux composants a été retenue. Une partie importante de cette thèse a été consacrée à des travaux expérimentaux, notamment le développement de moyens d’essais : amélioration d’un banc mono-cellule pile à combustible existant pour fonctionner en H2/air avec des conditions opératoires variables et création d’un banc électrolyseur. La méthodologie retenue pour les investigations expérimentales est celle des plans d’expérience : des plans factoriels complets à 2 et 3 niveaux ont été mis en œuvre. Une fois la base de données constituée, l’enjeu est de paramétrer de manière la plus pertinente possible les modèles semi-empiriques élaborés. Le LAPLACE, comme d’autres, a beaucoup travaillé à ce jour sur la séparation des différents phénomènes physicochimiques par des approches fréquentielles/temporelles. Les présentes recherches ouvrent une nouvelle voie qui consiste à les découpler aussi en fonction de leur sensibilité aux conditions opératoires (température et pression principalement). Cela a mené à la conceptualisation d’une nouvelle approche systémique pour l’étude des composants PEM et à la mise au point d’une nouvelle méthodologie de paramétrisation du modèle d’impédance PAC : la méthode multi-spectres - multi-conditions opératoires. Un modèle de courbe de polarisation dépendant des conditions opératoires a été formulé pour chaque composant, et son caractère prédictif a été évalué dans les deux cas. Enfin, la richesse des données expérimentales a permis d’identifier de nouveaux phénomènes à prendre en compte dans les modèles quasistatique et dynamique petit signal de la pile à combustible : à savoir une tension mixte permettant d’expliquer la tension à vide (OCV), et l’impédance de canal comme explication au décalage systématiquement observé entre la dérivée de la courbe de polarisation et la résistance basse fréquence des spectres d’impédance, respectivement

Steady-state semi-empirical model of a single Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) at varying operating conditions

International audienc

Modelling of the impact of the operating conditions of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) by Design Of Experiment (DOE)

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Effect of general anaesthesia on functional outcome in patients with anterior circulation ischaemic stroke having endovascular thrombectomy versus standard care: a meta-analysis of individual patient data

Background: General anaesthesia (GA) during endovascular thrombectomy has been associated with worse patient outcomes in observational studies compared with patients treated without GA. We assessed functional outcome in ischaemic stroke patients with large vessel anterior circulation occlusion undergoing endovascular thrombectomy under GA, versus thrombectomy not under GA (with or without sedation) versus standard care (ie, no thrombectomy), stratified by the use of GA versus standard care. Methods: For this meta-analysis, patient-level data were pooled from all patients included in randomised trials in PuMed published between Jan 1, 2010, and May 31, 2017, that compared endovascular thrombectomy predominantly done with stent retrievers with standard care in anterior circulation ischaemic stroke patients (HERMES Collaboration). The primary outcome was functional outcome assessed by ordinal analysis of the modified Rankin scale (mRS) at 90 days in the GA and non-GA subgroups of patients treated with endovascular therapy versus those patients treated with standard care, adjusted for baseline prognostic variables. To account for between-trial variance we used mixed-effects modelling with a random effect for trials incorporated in all models. Bias was assessed using the Cochrane method. The meta-analysis was prospectively designed, but not registered. Findings: Seven trials were identified by our search; of 1764 patients included in these trials, 871 were allocated to endovascular thrombectomy and 893 were assigned standard care. After exclusion of 74 patients (72 did not undergo the procedure and two had missing data on anaesthetic strategy), 236 (30%) of 797 patients who had endovascular procedures were treated under GA. At baseline, patients receiving GA were younger and had a shorter delay between stroke onset and randomisation but they had similar pre-treatment clinical severity compared with patients who did not have GA. Endovascular thrombectomy improved functional outcome at 3 months both in patients who had GA (adjusted common odds ratio (cOR) 1·52, 95% CI 1·09–2·11, p=0·014) and in those who did not have GA (adjusted cOR 2·33, 95% CI 1·75–3·10, p<0·0001) versus standard care. However, outcomes were significantly better for patients who did not receive GA versus those who received GA (covariate-adjusted cOR 1·53, 95% CI 1·14–2·04, p=0·0044). The risk of bias and variability between studies was assessed to be low. Interpretation: Worse outcomes after endovascular thrombectomy were associated with GA, after adjustment for baseline prognostic variables. These data support avoidance of GA whenever possible. The procedure did, however, remain effective versus standard care in patients treated under GA, indicating that treatment should not be withheld in those who require anaesthesia for medical reasons