Limite du mod`ele 1D

Transport de masse dans les canaux d’alimentation

Sommaire

VI.1 Influence du transport de masse dans les canaux d’alimentation

sur les performances ´electriques de la pile . . . 144

VI.1.1 Limite du mod`ele 1D . . . 145

VI.1.2 Revue de la litt´erature . . . 146

VI.1.3 D´etermination des temps de s´ejour (DTS) . . . 150

VI.2 Mise en place du mod`ele pseudo-2D . . . 152

VI.2.1 Principe . . . 152

VI.2.2 Transport de masse dans les canaux d’alimentation . . . 154

VI.2.3 Hypoth`ese d’´equipotentialit´e . . . 155

VI.3 R´esultats des simulations . . . 156

VI.3.1 Comparaison avec le mod`ele 1D . . . 156

VI.3.2 Analyse des puissances dissip´ees . . . 159

VI.4 Perspectives . . . 164

VI.4.1 Etude des transferts de chaleur . . . 164

VI.4.2 Fonctionnement avec condensation de l’eau . . . 167

Les pr´ec´edentes mod´elisations permettent une description de l’ensemble des ph´enom`enes

de transfert dans le cœur de pile, toutefois ces approches supposent une r´epartition uniforme

des gaz sur toute la surface de la cellule. En r´ealit´e, comme nous l’avons vu dans le premier

chapitre (Chapitre I), l’alimentation en gaz de la pile est assur´ee par les plaques bipolaires, `a

l’aide de micro-canaux g´en´eralement usin´es dans leur ´epaisseur. Celles-ci doivent ´egalement

assurer la collecte du courant dans la cellule (ou plus pr´ecis´ement des ´electrons produits par la

r´eaction). Diff´erentes structures de canaux d’alimentation sont encore `a l’´etude, mais aucune

ne permet de garantir une r´epartition uniforme des gaz sur toute la surface de l’´electrode,

notamment pour des cellules de grandes dimensions. Nous nous attachons ici `a mettre en

´evi-dence l’influence du transport de mati`ere dans les canaux d’alimentation sur les performances

´electriques de la pile.

Pour d´ebuter ce chapitre, nous mettrons en ´evidence les limites du mod`ele

monodi-mensionnel pr´ec´edemment d´ecrit pour une description compl`ete des ph´enom`enes de transfert

dans une cellule. Le transport des gaz dans les canaux d’alimentation est responsable d’une

distribution non uniforme des densit´es de courant dans le plan de la cellule. Les principales

mod´elisations propos´ees dans la litt´erature sont pr´esent´ees et discut´ees. Enfin, une attention

particuli`ere est port´ee `a la m´ethode de d´etermination des temps de s´ejour dans une plaque

bipolaire qui permet une introduction au principe du mod`ele pr´esent´e par la suite.

Le mod`ele de type pseudo-2D utilis´e est ensuite pr´esent´e. Le principe de d´ecoupage de

la cellule en tranches successives et le calcul des d´ebits en gaz dans les canaux sont expliqu´es.

L’hypoth`ese forte d’´equipotentialit´e des tranches d’une cellule est enfin formul´ee.

Les r´esultats de ces simulations sont exploit´es par la suite. Les deux cas de

fonctionne-ment d´ecrits dans les pr´ec´edents chapitres sont repris afin de pouvoir mener une comparaison

entre les r´esultats des mod`eles 1D et pseudo-2D. Les r´epartitions non uniformes en densit´e

de courant, flux d’eau, r´esistance ohmique et concentration en gaz sont mises en ´evidence.

Ces simulations permettent ´egalement d’estimer la r´epartition des sources de chaleur dans le

plan de la cellule.

Enfin, ce chapitre se termine sur des perspectives `a int´egrer au mod`ele. Une discussion sur

l’´evolution des champs de temp´erature dans le plan de la cellule est men´ee et une introduction

au transfert diphasique de l’eau dans la cellule est pr´esent´ee.

VI.1 Influence du transport de masse dans les canaux

d’ali-mentation sur les performances ´electriques de la pile

L’alimentation en gaz des cellules PEMFC et l’´evacuation de l’eau produite et des gaz

non consomm´es sont assur´ees par les canaux d’alimentation grav´es dans les plaques bipolaires.

VI.1. INFLUENCE DU TRANSPORT DE MASSE DANS LES CANAUX D’ALIMENTATION SUR LES PERFORMANCES ´ELECTRIQUES DE LA PILE

Diff´erentes g´eom´etries de canaux sont utilis´ees dans le but d’obtenir une distribution des

r´e-actifs la plus uniforme possible sur la surface de l’´electrode. En illustration (figure (VI.1))

sont donn´ees les photographies de designs de plaques bipolaires couramment utilis´ees.

Fig. VI.1–Designs courants de canaux d’alimentation dans les plaques bipolaires, de type«plots»

`a gauche, et«serpentin»`a droite.

Dans le cas des plaques de type «plots», les gaz sont distribu´es sur toute la largeur

de la cellule avant de traverser la plaque pour atteindre le cˆot´e oppos´e o`u le surplus de gaz

est r´ecup´er´e. Les plots r´epartis sur toute la surface de la plaque sont suppos´es distribuer les

r´eactifs sur toute la surface.

Les plaques de type «serpentin»pr´esentent une entr´ee o`u les gaz se r´epartissent entre

5 canaux parall`eles. A chaque extr´emit´e de la plaque, les canaux se rejoignent et les gaz se

m´elangent avant d’ˆetre redistribu´es dans les 5 canaux parall`eles suivants. La sortie est situ´ee

dans le coin oppos´e `a l’entr´ee.

Durant la travers´ee de la plaque bipolaire, d’une part les gaz r´eactifs sont consomm´es

et d’autre part l’eau produite par la r´eaction doit ˆetre ´evacu´ee par l’exc`es de gaz ou l’azote

r´esiduel. Ainsi, la composition du m´elange gazeux circulant dans les plaques bipolaires ´evolue

entre l’entr´ee et la sortie. Nous nous int´eressons ici `a caract´eriser l’influence des variations

locales de concentrations en r´eactifs sur les performances ´electriques de la pile.

VI.1.1 Limite du mod`ele 1D

L’ensemble des mod´elisations pr´ec´edentes (Chapitres II, III, IV) permet de d´ecrire les

ph´enom`enes de transferts dans l’´epaisseur d’une cellule. Ces descriptions monodimensionnelles

supposent une r´epartition parfaitement uniforme des gaz sur toute la surface de la cellule.

Or, comme il a ´et´e mis en ´evidence dans plusieurs publications [GLK98, YL02, BLD02,

NBD04, JMW05], le m´elange gazeux dans la plaque bipolaire voit sa composition varier

sensiblement durant son parcours. Ces variations de concentration sur la surface de la plaque

sont responsables d’une distribution non uniforme des densit´es de courant dans la cellule

[BLD02, NBD04, JMW05]. Une mesure exp´erimentale de la distribution de densit´e de courant

dans la cellule est donn´ee dans [CPCB+04].

Il est alors impossible pour nos mod`eles monodimensionnels de pr´evoir correctement le

comportement ´electrique de la cellule. Quelques r´esultats peuvent alors paraˆıtre erron´es :

– Dans le chapitre (Chapitre III), nous avons d´emontr´e l’int´erˆet de bien humidifier

l’hy-drog`ene avant son entr´ee en pile pour r´eduire les pertes ohmiques dans la membrane.

Sans humidification, les performances estim´ees sont relativement faibles. Or, la

ma-jorit´e des installations sont aliment´ees en hydrog`ene sec. En r´ealit´e, le d´ebit gazeux

p´en´etrant en pile `a l’anode voit sa composition ´evoluer entre l’entr´ee et la sortie et est

largement humidifi´e par l’eau produite et la vapeur d’eau servant `a l’humidification

de l’air qui traverse la membrane en amont, comme l’ont observ´e Williams et col.

[WKF04]. Le fonctionnement d’une pile PEMFC dans ces conditions est mod´elis´e par

B¨uchi et Srinivasan [BS97] qui pr´evoient des performances ´electriques raisonnables

grˆace `a l’humidification en interne de l’hydrog`ene.

– A l’inverse, les conditions de condensation de l’eau pour nos mod`eles

monodimension-nels (discut´ees dans le chapitre (Chapitre IV) sont trop exclusives. L’apparition d’eau

liquide a pu ˆetre observ´ee dans de nombreuses piles fonctionnant avec des gaz secs

[WKF04]. La production d’eau et la consommation des r´eactifs peuvent largement

augmenter les titres molaires en vapeur d’eau des m´elanges gazeux jusqu’`a atteindre

le titre de saturation.

Les divergences relev´ees entre nos simulations et les observations pratiques de pile en

fonctionnement sont dues aux variations de concentrations des gaz circulant dans les canaux

d’alimentation de la plaque bipolaire, qui ne peuvent pas ˆetre prises en compte par une

approche monodimensionnelle.

Il faut cependant noter que dans le cas d’une alimentation en forte sur-stœchiom´etrie,

les variations de concentrations dans les canaux peuvent ˆetre n´eglig´ees. Alors, la r´epartition

des gaz tend vers une r´epartition uniforme sur toute la surface de l’´electrode et le mod`ele

de transfert unidimensionnel peut ˆetre utilis´e. Malheureusement, dans la pratique, nous ne

serons jamais confront´e `a ce type de cas n´ecessitant un surdimensionnement important des

auxiliaires d’alimentation et le recyclage des gaz sortant de la pile.

Dans le document Transferts couplés masse-charge-chaleur dans une cellule de pile à combustible à membrane polymère : (Page 158-161)