Résultats et Interprétations
IV.4 Géométrie tubulaire
Dans le but de définir l’effet de la section transversale du canal sur la consommation de réactifs, les résultats de la simulation, pour trois types de configurations (rectangulaire, trapézoïdale et triangulaire) sont utilisés, présentés et discutés dans cette partie. Les profils de vitesse, de concentration d’oxygène, d’hydrogène et d’eau, ainsi que les courbes de polarisation sont présentées.
La fig.IV.15 présente les champs de vitesse obtenus utilisant les trois sections transversales. Les trois PEMFC de différentes configurations de la section transversale du canal sont alimentées avec les mêmes débits de réactifs. Nous pouvons observer dans le cas de la section transversale rectangulaire que la distribution de vitesse maximale est située au centre du canal le long de la PEMFC. Dans le cas de la section transversale triangulaire, la vitesse maximale est située près de l’interface canal-GDL en raison de la zone morte développée au sommet de la section triangulaire transversale.
Fig.IV.15 Répartition de la vitesse le long des canaux tordus : (a) rectangulaire, (b)
trapézoïdale, (c) triangulaire.
De même, le remplacement de la section rectangulaire par la section trapézoïdale entraîne un déplacement de la position de la vitesse maximale dans la même direction de la configuration
89
triangulaire ; la forme trapézoïdale de la section transversale est une configuration intermédiaire entre les formes rectangulaire et triangulaire. Nous remarquons également que la section rectangulaire semble indiquer la plus grande section de canal et la vitesse maximale la moins élevée par rapport aux deux autres formes, ce qui peut affecter la distribution et la consommation des réactifs.
Les distributions d’hydrogène et d’oxygène sont respectivement présentées dans les figs.IV.16 et 17 selon les trois différentes configurations étudiées. Comme indiqué dans la figure, les concentrations de gaz diminuent le long des canaux de l’entrée et la sortie en raison de la consommation de réactifs. Pour une meilleure évaluation de l’effet de la forme de la section transversale du canal sur la consommation de réactifs, nous prenons la forme rectangulaire comme configuration de référence.
Fig.IV.16 Répartition de la concentration d’hydrogène le long du trajet tordu : a) b) et c) dans
toute la cellule, a1), b1) et c1) dans l’interface CL/GDL de la cathode. H2 concentration (a) (b) (c) mole/m3 (a1) (b1) (c1) mole/m3 36 30 24 18 12 6 0 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
90
Fig.IV.17 Répartition de la concentration d’oxygène le long du trajet tordu : a) b) et c) dans
toute la cellule, a1), b1) et c1) dans l’interface CL/GDL de la cathode.
Le remplacement de la configuration de la section transversale rectangulaire par la configuration de la section transversale trapézoïdale diminue la surface de la section transversale du canal et augmente la vitesse d’écoulement, ce qui améliore le processus de transfert de masse des réactifs. Pour un plus d’infiltration de réactifs dans les couches de diffusion des gaz, une consommation des gaz réactifs est obtenu logiquement.
L’amélioration de la diffusion des gaz améliore le processus de conversion électrochimique et logiquement la densité de courant et la performance de la PEMFC (fig. IV 18). La forme de la section transversale du canal triangulaire présente la meilleure performance ; la zone morte au sommet du canal triangulaire agit comme un obstacle qui force le flux s’écouler vers le GDL à
O2 concentration (a) (b) (c) mole/m3 (a1) (b1) (c1) mole/m3 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
91
travers lequel les réactifs vont pénétrer la couche du catalyseur. Par conséquent, la conservation du débit d’entrée et de la surface de contact entre le canal et le GDL ont permis de conclure que la plus petite section transversale du canal produira une vitesse plus élevée qui augmentera l’infiltration de réactifs dans le GDL, ce qui améliorera les performances de la PEMFC.
Fig.IV.18 Répartition des concentrations d’eau. (a) , (b) et (c) : dans toute la cellule (a1), (b1)
92
L’étude de la concentration et de la distribution de l’eau est nécessaire pour éviter, en même temps, le séchage et l’immersion de la membrane et permettra d’assurer un bon fonctionnement de la PEMFC. La distribution de la concentration molaire de l’eau dans la PEMFC des trois formes étudiées est illustrée à la fig.IV.18. Comme on le voit sur cette figure, les champs de distribution de l’eau dans l’anode et la cathode pour les trois formes de section transversale, rectangulaire, trapézoïdale et triangulaire, selon une géométrie tubulaire de la PEMFC sont présentés. L’eau est produite au niveau de la couche catalytique du côté cathodique, où l’on peut voir que sa concentration atteint des valeurs maximales dans cette zone. L’eau produite à la cathode est divisée en deux parties. La première partie passe à travers la membrane et la couche de diffusion jusqu’au canal anodique et la seconde à travers le GDL jusqu’au canal cathodique.
L’eau dans les canaux est transportée par convection dans la direction de l’écoulement et est éjectée vers l’extérieur ; c’est la raison pour laquelle la concentration d’eau dans les canaux augmente progressivement de l’entrée à la sortie, dans laquelle la concentration maximale de l’eau dans cette zone est observée (fig.IV.18 (a2), (b2) et (c2)).
La concentration d’eau dans le côté cathodique de la PEMFC est supérieure à celle du côté anodique en raison de la production d’eau produite dans le côté cathodique et de la faible perméabilité de la membrane. Par rapport aux configurations de la section transversale du canal rectangulaire et trapézoïdale, la section transversale du canal triangulaire a la valeur maximale de la concentration d’eau dans le MEA en raison du taux de consommation le plus élevé. Comme le montre la fig.IV.15, la section triangulaire a la vitesse la plus importante, ce qui génère une force convective plus importante par rapport aux autres configurations de section transversale du canal et améliore le processus d’évacuation de l’eau; tandis que la section transversale du canal rectangulaire assure une plus grande distribution d’eau le long du chenal, ce qui signifie que l’eau n’est pas retirée dans les sites de réaction, mais elle est accumulée dans les parties de la PEMFC. Par conséquent, elle réduite les performances de la cellule faisant de la section transversale rectangulaire la pire performance de la configuration du canal pour les PEMFC tubulaire de canaux tordus. En bref, ces nouvelles géométries tubulaires affectent considérablement la production d’eau et sa distribution le long de la cellule.
Finalement, la Fig.IV.19 présente les courbes de polarisation obtenue par les trois différentes sections transversales du canal étudié.
93
Fig.IV.19 Courbe de polarisation pour des trois différentes sections transversales.
(Tension : ; Densité de puissance : )
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0