Influence de la mouillabilité sur les performances

Les observations visuelles décrites ci-dessus nous permettent de comprendre et d’analyser les courbes de puissance des micropiles. Nous avons sélectionné trois cas d’étude pour la micropile (a) : situations de noyage lent, de noyage rapide et de non-noyage. La Figure IV-26 montre la puissance de la micropile avec et sans dépôt à 120mA et 50% d’humidité relative.

Figure IV-26 : Performances de micropiles en situation de noyage lent

Au début de l’expérience, le dépôt hydrophobe n’influe pas sur la puissance fournie. Avec le dépôt hydrophile, elle est immédiatement moins bonne. En fait, dès que de l’eau est produite, le dépôt hydrophile limite l’alimentation en oxygène et il est impossible d’atteindre les mêmes performances que sans le dépôt. Dans le cas du dépôt hydrophobe, les gouttes grossissent en surface, mais leur forme augmente la surface d’évaporation, tout en laissant plus de place à l’oxygène. Les performances sont donc très stables. Au contraire, celles sans dépôt diminuent constamment, car la surface se recouvre de plus en plus d’eau et la micropile se noie lentement.

La Figure IV-27 montre les puissances à 120mA, mais pour une humidité relative de 65- 75%.

Dans cette expérience, le noyage est accéléré. Avec le dépôt hydrophile, la micropile s’arrête au bout de deux minutes et dans les autres cas, les performances diminuent au cours du temps, même avec le dépôt hydrophobe. Celui-ci n’est plus suffisant pour lutter efficacement contre le noyage mais sa présence permet tout de même d’avoir de meilleures puissances.

Dans le dernier essai sans noyage, c'est-à-dire à 40mA et 50% d’humidité relative, les performances sont représentées sur la Figure IV-28 :

Influence du depot sur les performances de la puce (a) quand il y a peu d’eau en surface

Influence du depot sur les performances de la puce (a) quand il y a peu d’eau en surface

Figure IV-28 : Performances de micropiles en situation de non-noyage

Les performances sont stables quel que soit le dépôt. Cependant, la puissance atteinte avec le dépôt hydrophile est presque deux fois plus faible que les autres. Les visualisations de surface mettent en évidence de très petits gouttes sans le dépôt. Ainsi, même avec une quantité très faible d’eau liquide en surface, il doit y avoir formation d’un film qui limite l’accès à l’oxygène et diminue donc les performances.

E. Conclusions

Les mesures de température ont mis en évidence une élévation de température proportionnelle à l’intensité délivrée par la micropile. Le support dans lequel est placé la pile influence beaucoup l’élévation de température, ainsi pour éviter des problèmes d’assèchement, il est plus judicieux d’utiliser un boîtier très conducteur.

Le changement de la mouillabilité de surface des micropiles nous a permis de tirer de nombreuses conclusions. A condition de peu modifier la perméabilité aux gaz de la cathode, il est possible d’améliorer les performances de la micropile à l’aide d’un dépôt très hydrophobe (l’angle de goutte doit être supérieur à celui du collecteur d’or). Dans ce cas là, les gouttes s’étalent moins, tendant à augmenter la surface externe des gouttes et donc l’évaporation de celles-ci mais aussi de réduire la surface mouillée afin de faciliter l’alimentation en oxygène. Dans de nombreux cas d’études, les performances de la micropile s’en trouvent donc améliorées. Ce genre de dépôt est cependant insuffisant dans des situations de noyage sévère,

il faudrait le coupler à un système d’évacuation de l’eau produite. Le dépôt hydrophile, quant à lui, ne fait que détériorer les performances.

Les observations visuelles nous ont également permis de constater que, quel que soit le dépôt, la zone d’apparition de l’eau reste inchangée. Ceci constitue un argument pour dire que l’eau sort de la micropile à l’endroit où elle est produite. Ainsi, les micropiles ne fonctionnent pas sur toute leur surface, car dans le cas des micropiles testées, seule la partie de droite se recouvrait d’eau. Il semble donc qu’il faille améliorer l’homogénéité de la micropile si l’on souhaite augmenter leurs performances. En effet, si seule la moitié de la micropile fonctionne pour le moment, il devrait être possible de multiplier la puissance par deux.

F. Références bibliographiques

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Modélisation des écoulements

dans la cathode poreuse

Table des figures

Figure V-1 : Volume de prise de moyenne, illustration Bories et Prat ... 144 Figure V-2 : Comparaison des ordres de grandeur des différents termes de la loi de Fick généralisée ... 158 Figure V-3 : Tableau récapitulatif des grandeurs utilisées... 161 Figure V-4 : Coefficients de diffusion de Fick pour le système oxygène-vapeur-azote... 162 Figure V-5 : Evolution de la pression capillaire en fonction de la saturation liquide... 163 Figure V-6 : Pression de vapeur saturante en fonction de la température... 164 Figure V-7 : Evolution de la pression vapeur dans le milieu poreux en fonction de la température et de la saturation liquide ... 164 Figure V-8 : Evolution des perméabilités relatives en fonction de la saturation liquide ... 165 Figure V-9 : Volumes et surface de calottes hémisphériques en fonction de l’angle de contact

... 166 Figure V-10 : Calcul du profil d'une goutte ... 167 Figure V-11 : Profils de gouttes de 100µm de rayon sur une surface hydrophile et hydrophobe

... 169 Figure V-12 : Influence du rayon sur l’aplatissement de la goutte ... 169 Figure V-13 : Comparaison de la surface de gouttes dont le profil est calculé avec la surface des gouttes hémisphériques sur un support hydrophile... 170 Figure V-14 : Comparaison du volume de gouttes dont le profil est calculé avec le volume de gouttes hémisphériques sur un support hydrophile ... 170 Figure V-15 : Influence du rayon sur l’erreur de l’approximation hémisphérique sur le volume et la surface des gouttes pour une surface hydrophile... 171 Figure V-16 : Comparaison de la surface de gouttes dont le profil est calculé avec la surface des gouttes hémisphériques sur un support hydrophobe ... 171 Figure V-17 : Comparaison du volume de gouttes dont le profil est calculé avec le volume de gouttes hémisphériques sur un support hydrophobe ... 171 Figure V-18 : Influence du rayon sur l’erreur de l’approximation hémisphérique sur le volume et la surface des gouttes pour une surface hydrophobe ... 172 Figure V-19 : Conditions aux limites ... 173 Figure V-20 : Zone de saturation critique ... 178 Figure V-21 : Evolution de la saturation dans le temps et le milieu ... 179 Figure V-22 : Evolution des pressions en eau et en gaz dans le temps et dans le milieu ... 180 Figure V-23 : Evolution des concentrations en oxygène et en vapeur d’eau dans le temps et dans le milieu ... 180 Figure V-24 : Evolution des vitesses en oxygène, vapeur, eau liquide et gaz dans le temps et dans le milieu ... 181 Figure V-25 : Evolution de la température dans le temps et dans le milieu ... 181 Figure V-26 : Evolution du taux d’évaporation dans le temps et dans le milieu ... 182 Figure V-27 : Influence de l’épaisseur sur la saturation et la température à t = 4,31s... 183 Figure V-28 : Influence de la perméabilité sur la saturation dans le milieu à t = 4,31s... 183

Figure V-29 : Différentes corrélations de pression capillaire ... 184 Figure V-30 : Influence des corrélations sur la saturation dans le milieu à t = 4,31s ... 184 Figure V-31 : Influence de la perméabilité relative sur la saturation dans le milieu à t = 4,31s

... 185 Figure V-32 : Corrélations de conductivité thermique... 186 Figure V-33 : Influence de la conductivité thermique sur la saturation dans le milieu à t = 4,31s ... 186 Figure V-34 : Influence de la conductivité thermique sur la température à t = 4,31s... 187 Figure V-35 : Influence du coefficient de diffusion de vapeur d’eau sur la saturation à t = 4,31s ... 187 Figure V-36 : Influence des paramètres sur la saturation, le taux d’évaporation, la température et le flux d’eau liquide en sortie du milieu à t = 4,31s ... 188 Figure V-37 : Elévation de température en fonction de l'intensité... 189 Figure V-38 : Evolution de la saturation pour HR=20% ... 190 Figure V-39 : Angle de goutte linéaire variant de 120 à 140° ... 191 Figure V-40 : Influence de l’angle de goutte sur la saturation à t = 4,31s ... 191 Figure V-41 : Perméabilité linéaire variant de 10-15 à 10-14 m²... 191 Figure V-42 : Influence de la perméabilité sur la saturation à t = 4,31s ... 192 Figure V-43 : Influence de l’épaisseur sur la saturation à t = 4,31s... 192 Figure V-44 : Consommation de l’oxygène présent dans la cathode... 193 Figure V-45 : Evolution du rayon des gouttes ... 194 Figure V-46 : Evolution de la saturation dans le milieu ... 194 Figure V-47 : Evolution de la saturation en sortie ... 195 Figure V-48 : Comparaison de l’évolution du rayon des gouttes en fonction de l’angle de contact de surface ... 196 Figure V-49 : Comparaison de l’évolution de la saturation en sortie de la cathode en fonction de l’angle de contact de surface ... 196 Figure V-50 : Evolution de la saturation dans le milieu ... 197 Figure V-51 : Influence de l’humidité relative sur l’évolution des gouttes ... 197 Figure V-52 : Influence de l’intensité sur l’évolution du rayon des gouttes... 198 Figure V-53 : Influence de l’intensité sur l’évolution du flux d’eau liquide en sortie... 198 Figure V-54 : Influence de l’intensité sur l’évolution de la température à la sortie du milieu