Influence des angles de contact

Dans l’étude précédente, nous avons identifié le rapport de forme à privilégier pour maximiser la surface d’échange entre le mini-canal et la zone de diffusion. Nous avons également vu que pour le rapport de forme (c) une configuration apparaît qui permet le mouillage de la GDL pour

de faible taux de remplissage RL: la configuration c-2-1 (figure7.10). La configuration c-2-1 est à

éviter en priorité car elle admet le mouillage de la GDL aux faibles RL. Tout d’abord, analysons

l’influence des angles de contact sur le taux de remplissage seuil RL,s à partir duquel la GDL

commence à être mouillée. Nous choisissons de ne faire varier essentiellement que l’angle de la

plaque bipolaire θw dans la gamme 55° − 85°. En effet, cette plaque peut recevoir un traitement

Etude du canal de pile 171 L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L

Fig. 7.11 – Evolution de L∗wet(à gauche) et L∗gdl(à droite) en fonction de RLpour les sections (a)

172 Chapitre 7 : Remplissage quasi-statique d’un canal de pile

fortement hydrophobe pour faciliter l’évacuation de l’eau formée au coeur de la pile.

Le tableau 7.2 montre l’évolution du taux de remplissage seuil RL,s pour les trois rapports

de forme en fonction des angles de mouillage. Les résultats sont obtenus en renouvelant l’analyse

précédente pour des angles de contact différents : à partir des figures identiques à7.11et adaptées

aux angles de contact, nous déduisons les valeurs du taux de remplissage seuil RL,s.

RL,s (a) (L, H) = (2mm, 1mm) (b) (1mm, 1mm) (c) (1mm, 2mm) CI : 1 - 2 gouttes (θw, θGDL) = (35°, 140°) 93, 8% 87, 6% 32, 1% - 75, 1% (θw, θGDL) = (55°, 140°) 94, 6% 89, 3% 28, 4% - 78, 6% (θw, θGDL) = (75°, 140°) 97, 8% 95, 6% 34, 5% - 91, 2% (θw, θGDL) = (85°, 160°) 99, 3% 98, 5% 38, 1% - 97, 1%

Tab. 7.2 – Valeurs du taux de remplissage seuil RL,s pour les 3 rapports de forme et 4 couples

d’angles de mouillage

Pour les sections (a) et (b), la variation des angles de mouillage ne change pas le fait qu’il faut un important taux de remplissage pour que le liquide mouille la GDL. Cela vient appuyer la conclusion de l’étude précédente sur l’influence du rapport de forme qui montrait que ces deux sections sont à privilégier.

Quant à la section (c), elle accepte toujours deux types de conditions initiales dont nous

avons déjà parlé plus haut. Lorsque deux gouttes sont présentes, RL,s est plus faible que pour les

deux autres sections mais reste important. Par contre, il est toujours possible que le remplissage

se fasse à partir d’une seule goutte. Dans ce cas, RL,s chute du fait de la configuration c-2-2.

Ici aussi, la variation des angles de mouillage ne vient pas modifier les valeurs très basses de RL,s.

7.4

Bilan

Nous avons étudié dans ce chapitre le remplissage quasi-statique d’un canal de pile. Dans un premier temps nous avons précisé les scenarii possibles. Nous avons ensuite étudié principalement l’influence de deux paramètres : le rapport de forme H/L ainsi que la mouillabilité des paroi bipolaires. Nous avons montré que le fonctionnement de la pile (optimisation de la surface non mouillée de la GDL pour un taux de liquide donné) est optimisé si les deux conditions suivantes sont satisfaites :

Bilan 173

H < L

Cette étude montre également que la variation des angles de mouillage ne change pas fonda-

mentalement les configurations permises par les rapports de forme. Ainsi la variation de θw dans

la gamme 55° − 85° ne change pas le fait que les sections L = 2H et H = L sont à privilégier et que la section L = H/2 est à éviter. Il faut donc en priorité porter l’effort sur l’optimisation de la forme de la section en recherchant à avoir L > H plutôt que de gagner sur une valeur de mouillage qu’il est difficile d’améliorer et vraisemblablement difficile de maintenir à cause du vieillissement de la pile. Ceci montre ainsi que la détérioration des conditions de mouillage ne sera pas dramatique pour le bon fonctionnement de la pile.

Bien sur, une telle approche ne prend pas en compte la déstabilisation de l’interface par des perturbations se développant le long du canal. L’objet du chapitre suivant est de considérer de telles situations où l’interface peut être le siège d’instabilité visqueuses ou capillaires.

Chapitre 8

Instabilités et transitions en

mini-canaux et mini-tubes

Dans un canal de pile, à mesure que la quantité de liquide augmente, la structure de l’écoule- ment évolue. Il est alors envisageable d’observer plusieurs configurations d’écoulement différentes entre l’entrée et la sortie du canal. Il a été montré expérimentalement que la configuration de

l’écoulement a une influence directe sur le fonctionnement de la pile (Marchand(1998)). Cet effet

est lié au fait que la GDL peut ou non être totalement mouillée par le liquide, ce qui empêche le gaz réactif d’accéder au coeur de la pile.

Le passage d’une configuration à une autre peut s’expliquer par l’existence d’instabilités hy- drodynamiques. La plus connue, l’instabilité de Kelvin-Helmoltz, apparaît dans des situations d’interfaces fortement cisaillées. Cependant d’autres types d’instabilité peuvent apparaître en écoulement visqueux ou contrôlés par la capillarité. Par exemple, un écoulement stratifié peut, dans certaines conditions, être instable du fait de la différence de viscosité entre les deux fluides en présence. Une instabilité apparaît et peut entraîner une transition vers un écoulement intermit- tent. Une autre instabilité, d’origine capillaire, peut également exister. En effet, un écoulement annulaire présente une énergie interfaciale plus importante que celle d’un écoulement à bulles, aussi la tension de surface aura tendance à provoquer la transition de la première configuration vers la seconde.

Nous souhaitons dans ce chapitre étudier ces deux instabilités visqueuses et capillaires. L’ob- jectif est double : d’une part de tester le potentiel de l’outil d’investigation JADIM pour re- produire le développement de ces deux instabilités bien particulières et d’autre part d’étudier si de telles instabilités peuvent être responsables de transitions de configuration en mini-canal ou mini-tube et plus précisément dans les conditions d’écoulement des canaux de la pile à combus- tible.