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43 results on '"Gerard, Mathias"'

22. Étude des interactions pile/système en vue de l'optimisation d'un générateur pile à combustible : -interactions cœur de pile/compresseur- -interactions cœur de pile/convertisseur

Author

Gerard, Mathias, Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Franche-Comté, Pr Daniel Hissel(daniel.hissel@univ-fcomte.fr), Thèse préparée en collaboration entre le CEA Grenoble au Laboratoire d'Intégration des Générateurs Électrochimiques (LIGE) à l'institut LITEN et l'institut FEMTO-ST département Energie, sur la plateforme FCLAB à Belfort, and avec le soutien financier de la

Subjects
faible stœchiométrie d'air, voltage oscillations, irreversible degradations, AME, low air stoichiometry, appauvrissement en oxygène, fuel cell/converter interactions, 3D dynamic model, dégradations réversibles, MEA, fuel cell/compressor interactions, oscillations de potentiel, [SPI.NRJ]Engineering Sciences [physics]/Electric power, high frequency ripple current, modèle dynamique 3D, oxygen starvation, current density measurement, dégradations irréversibles, oscillations de courant hautes fréquences, durability test, reversible degradations, interactions pile/compresseur, interactions pile/convertisseur, PEMFC, mesure de densité de courant, test de durabilité
Abstract

Fuel cell PEMFC is an energy converter with sustainable advantages to participate of the zero carbon gas emission technologies through the free carbon energies. The ancillaries of the fuel cell system generate some perturbations which are directly or indirectly responsible for bad local conditions inside fuel cell. Performances and durability can be impacted. To optimize both the fuel cell and its system, interactions between two sub-systems and the fuel cell are studied : interactions between air group and fuel cell. Combining experimental (current density measurement, durability tests, post mortem analysis) and modelling studies (2D dynamic fuel cell stack model), PEMFC stack and MEA performance and degradation have been studied regarding oxygen starvation impacts. At the cathode air inlet, current density becomes high during oxygen starvation and the local conditions are changed. Durability can be highly impacted. interactions between static converter and the fuel cell. The consequences on high frequency ripple current on performances and durability have been studied. Specific durability tests show an interaction between high frequency ripple current and reversible degradations on MEA.; La pile à combustible PEMFC est un convertisseur d'énergie qui présente des avantages indéniables pour faire partie des solutions mises en œuvre pour assurer un mixte énergétique décarbonné. Les nombreux auxiliaires du système de la pile génèrent des perturbations qui sont responsables directement ou indirectement des conditions défavorables sur le cœur de pile. Les performances et durée de vie de la pile peuvent être impactées. Dans l'objectif d'améliorer la co-conception de la pile avec son système, les interactions entre deux groupes du système et la pile sont étudiées dans ce travail : les interactions entre le groupe air et le cœur de pile. En particulier, l'étude s'est focalisée sur l'impact d'un fonctionnement en sous stœchiométrie en oxygène sur la performance et la durabilité de la pile et sur l'évolution des conditions locales du cœur de pile. Le couplage des différents essais expérimentaux (mesures de densité de courant, tests de vieillissement, études post-mortem) avec le modèle dynamique 2D a permis de mettre en évidence différentes zones de fonctionnement dans la pile. En effet, en entrée cathodique, durant un appauvrissement en oxygène, l'augmentation de la densité de courant peut devenir très importante impliquant une modification des conditions locales qui peuvent être très néfastes pour la pile. les interactions entre le convertisseur statique électrique et le cœur de pile. Plus particulièrement, les conséquences des oscillations de courant hautes fréquences générées par le convertisseur DC/DC sur la durabilité de la pile ont été étudiées. Des essais spécifiques de vieillissement longue durée ont permis de mettre en évidence une interaction entre les oscillations de courant et les dégradations réversibles de la pile.

Published
2010

23. Fuel cell/System interaction study to optimize a fuel cell generator : -fuel cell/compressor interactions- -fuel cell/electrical converter interactions

Author

Gerard, Mathias, Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Franche-Comté, Pr Daniel Hissel(daniel.hissel@univ-fcomte.fr), Thèse préparée en collaboration entre le CEA Grenoble au Laboratoire d'Intégration des Générateurs Électrochimiques (LIGE) à l'institut LITEN et l'institut FEMTO-ST département Energie, sur la plateforme FCLAB à Belfort, and avec le soutien financier de la

Subjects
faible stœchiométrie d'air, voltage oscillations, irreversible degradations, AME, low air stoichiometry, appauvrissement en oxygène, fuel cell/converter interactions, 3D dynamic model, dégradations réversibles, MEA, fuel cell/compressor interactions, oscillations de potentiel, [SPI.NRJ]Engineering Sciences [physics]/Electric power, high frequency ripple current, modèle dynamique 3D, oxygen starvation, current density measurement, dégradations irréversibles, oscillations de courant hautes fréquences, durability test, reversible degradations, interactions pile/compresseur, interactions pile/convertisseur, PEMFC, mesure de densité de courant, test de durabilité
Abstract

Fuel cell PEMFC is an energy converter with sustainable advantages to participate of the zero carbon gas emission technologies through the free carbon energies. The ancillaries of the fuel cell system generate some perturbations which are directly or indirectly responsible for bad local conditions inside fuel cell. Performances and durability can be impacted. To optimize both the fuel cell and its system, interactions between two sub-systems and the fuel cell are studied : interactions between air group and fuel cell. Combining experimental (current density measurement, durability tests, post mortem analysis) and modelling studies (2D dynamic fuel cell stack model), PEMFC stack and MEA performance and degradation have been studied regarding oxygen starvation impacts. At the cathode air inlet, current density becomes high during oxygen starvation and the local conditions are changed. Durability can be highly impacted. interactions between static converter and the fuel cell. The consequences on high frequency ripple current on performances and durability have been studied. Specific durability tests show an interaction between high frequency ripple current and reversible degradations on MEA.; La pile à combustible PEMFC est un convertisseur d'énergie qui présente des avantages indéniables pour faire partie des solutions mises en œuvre pour assurer un mixte énergétique décarbonné. Les nombreux auxiliaires du système de la pile génèrent des perturbations qui sont responsables directement ou indirectement des conditions défavorables sur le cœur de pile. Les performances et durée de vie de la pile peuvent être impactées. Dans l'objectif d'améliorer la co-conception de la pile avec son système, les interactions entre deux groupes du système et la pile sont étudiées dans ce travail : les interactions entre le groupe air et le cœur de pile. En particulier, l'étude s'est focalisée sur l'impact d'un fonctionnement en sous stœchiométrie en oxygène sur la performance et la durabilité de la pile et sur l'évolution des conditions locales du cœur de pile. Le couplage des différents essais expérimentaux (mesures de densité de courant, tests de vieillissement, études post-mortem) avec le modèle dynamique 2D a permis de mettre en évidence différentes zones de fonctionnement dans la pile. En effet, en entrée cathodique, durant un appauvrissement en oxygène, l'augmentation de la densité de courant peut devenir très importante impliquant une modification des conditions locales qui peuvent être très néfastes pour la pile. les interactions entre le convertisseur statique électrique et le cœur de pile. Plus particulièrement, les conséquences des oscillations de courant hautes fréquences générées par le convertisseur DC/DC sur la durabilité de la pile ont été étudiées. Des essais spécifiques de vieillissement longue durée ont permis de mettre en évidence une interaction entre les oscillations de courant et les dégradations réversibles de la pile.

Published
2010

40. Energy management strategy for hybrid fuel cell vehicle.

Author

da Fonseca, Ramon, Bideaux, Eric, Jeanneret, Bruno, Gerard, Mathias, Desbois-Renaudin, Matthieu, and Sari, Ali

Abstract

Fuel cell vehicles (FCV) are characterized by the utilization on the same electric bus of an hydrogen fuel cell (FC) stack as a primary energy source and a storage element like batteries as energy storage system. In our project, the fuel cell is a Polymer Electrolyte Membrane (PEM), which is well adapted for transport field applications. A lithium rechargeable battery, more specifically a LiFePO4, is used to supplement the FC over the driving cycle. According to the requirements of the drive cycle of the vehicle, a 20 kW PEM FC system and a 5 kWh LiFePO4 battery are considered here. To define the power supplied by the source and the energy storage system, an energy management system (EMS) is used. A power split strategy is implemented in the EMS in order to obtain an optimal behaviour for the vehicle in terms of hydrogen consumption and considering the constraints of the system (FC and battery dynamics). Due to the non linear FC dynamics, a non linear control is applied which results in a simplification of the optimization problem. [ABSTRACT FROM PUBLISHER]

Published
2012

41. (Invited) Polymer Electrolyte Fuel Cells Lifetime Prediction By a Full Multi-Scale Modeling Approach

Author

Gerard, Mathias, Robin, Christophe, Chandesris, Marion, and Schott, Pascal

Abstract

The objective of this communication is to provide a multi-scale modeling framework for fuel cells lifetime estimation. The methodology is based on a bottom-up approach to calculate the loss of active surface area based on the Ostwald ripening mechanism model developed at the micro-scale with a double layer model (called EDMOND model). By a direct coupling, the Ostwald module is incorporated in the 2D+0D dynamic fuel cell stack model (called PS++ model). Moreover, an original methodology is applied to extrapolate from a durability test the equivalent surface area loss taking into account both catalyst dissolution and oxidation (irreversible and reversible mechanisms). Two 2000-h durability tests validate the methodology and results. In particular, the effects of the dynamic operating conditions and the degradation heterogeneities along the surface of the cell are highlighted.

Published
2016

42. Ripple Current Effects on PEMFC Aging Test by Experimental and Modeling

Author

Gerard, Mathias, Poirot-Crouvezier, Jean-Philippe, Hissel, Daniel, and Péra, Marie-Cecile

Abstract

Polymer electrolyte membrane fuel cells’ (PEMFCs) systems usually require power conditioning by a dc-dc boost converter to increase the output fuel cell voltage, especially for automotive applications and stationary applications. The output fuel cell current is then submitted to the high frequency switching leading to a current ripple. The ripple current effects on fuel cell are studied by experimental ripple current aging test on a five cell stack (membrane electrode assembly (MEA) surface of 220 cm2) and compared with a reference aging test. The stack is run in nominal conditions but an ac component is added to the dc load. The ac component is a 5 kHz triangle, amplitude of which is ±20% of the dc component, in order to simulate a boost waveform. Fuel cell characterizations (polarization curves, impedance spectra, and voltammetry) provide information on the PEMFC aging and the performance evolution. Local conditions are computed through a dynamic stack model. The model takes into account transport phenomena, heat transfer, and semi-empirical electrochemical reactions and includes a meshing to calculate local conditions on the MEA surface (gas reactant pressures, local temperature, gas molar fractions, water activity, and local electronic current density). The consequences about performance and aging during high frequency ripple current are explained.

Published
2011
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43. Distribution Study of Species and Current Density During Oxygen Starvation

Author

Gerard, Mathias, Poirot-Crouvezier, Jean-Philippe, Hissel, Daniel, and Pera, Marie-Cecile

Abstract

In a fuel cell system the stack is strongly coupled with the main system components, among which the compressor is one of the most important. Malfunction of this auxiliary device (delay during peak power, low stoichiometry operation, emergency stop, etc.) is directly responsible for bad oxygen distribution in the cathode (substoichiometry reactants feeding). This phenomenon is usually called oxygen starvation. In this study we want to identify the consequences of oxygen starvation on the performance and durability of polymer electrolyte membrane fuel cell stacks, and more particularly, on the current distribution along the cell. The oxygen concentration decreases along the channel and induces a change in the local electrochemical response; it means that the local current density on the cell is redistributed on the surface. This bad distribution of reactive gas (in a transient time or long time) decreases the performance but may also have an effect on cathode degradation such as carbon corrosion and platinum dissolution/oxidation. The current distribution along the cell is studied by two approaches (modeling and experiments). The 3D model using serpentine bipolar plate meshing is adapted to dynamically compute for the catalyst layer local conditions (local current, temperature, gases partial pressure, and water activity). It is able to reproduce the conditions of low or high oxygen concentration in the cathode side. The experiments are performed with a bi-cell stack developed by CEA with specific design for the magnetic sensors (the local current is computed by measuring the local induced magnetic field and using the Maxwell equations).

Published
2010
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