Pertes dans les électrodes

Différentes approches sont possibles dans la modélisation complète de la PEMFC. L’une consiste à modéliser complètement les pertes dans tous les composants de la cellule, y compris celles des électrodes en général et dans la membrane en particulier. Une approche commune consiste à utiliser pour le diagnostic, la courbe de polarisation de la cellule. Cependant, si un essai rigoureux du modèle doit être effectué, plusieurs courbes de polarisation enregistrées sous différentes conditions de fonctionnement devraient être utilisées dans le modèle.

Ticianelli [TIC88] a décrit la courbe de polarisation de la PEMFC en utilisant trois paramètres, densité de courant d'ORR11 à 0,9 V, pente de Tafel (constante), et une résistance efficace qui rassemble tous les effets de résistance de membrane plus tous les différents transports de masse et les pertes à la cathode. Bien que des courbes de polarisation puissent être analysées par cette approche en excluant le domaine à forte densité de courant, elles ne peuvent pas renseigner sur la nature et/ou l’importance des pertes de cathode.

En revanche, le travail de modélisation de Verbrugge et Bernardi [VER92] donne des détails qui pourraient contribuer à l’analyse des pertes dans la PEMFC en employant un modèle pour la cellule complète. Ce modèle traite en profondeur l'electrocatalyse et les procédés de transport dans le gaz, la phase condensée dans la cathode ainsi que les limitations ioniques et électroniques de conductivité dans la membrane et dans les électrodes. L'approche unifiée et détaillée de ce type de modèle est élégante et a l'avantage du traitement simultané de toutes les sources possibles de pertes dans la PEMFC.

En utilisant le modèle semblable à celui de Springer [SPR93], Eikerling et Kornyshev [EIK98] ont présenté des résultats analytiques de couche de catalyseur pour quatre situations différentes : faible courant, diffusion rapide de l'oxygène, transport rapide de protons et densité de courant élevée. Ils ont étudié les effets des paramètres cinétiques de la réduction de l'oxygène, l'épaisseur de couche de catalyseur, la largeur et la position de la fraction active de la couche et la pression partielle de l'oxygène sur le catalyseur.

Par ailleurs, You et Liu [YOU93] ont développé une méthode de relaxation pour résoudre numériquement les équations régissant la couche de catalyseur et ont présenté une étude paramétrique pour les influences de surtension, conductivité de proton, porosité et superficie de catalyseur.

Fuller et Newman [FUL93] ont développé un modèle mathématique 2D pour étudier la gestion de l'eau et de la chaleur, ainsi que la diffusion des gaz dans la PEMFC. On suppose que le gaz en dehors de l'électrode de diffusion est uniforme en composition à travers le canal. Le modèle de Nguyen et White [NGU93] est basé sur le canal de gaz en considérant une distribution linéaire de concentration dans celui-ci. L'influence de la teneur en eau liquide sur la conductivité ionique et l’enthalpie due au changement de phase sont pris en considération, mais la température est considérée constante dans les matériaux et le transfert thermique par conduction dans la phase gazeuse est négligé. La concentration en eau, la température, les pressions et profils partiels de densité de courant le long des canaux de gaz, des pertes de tension dues aux réactions dans la cellule y sont ainsi présentées. Un autre modèle de Yi et Nguyen [YI98] a été proposé pour tenir compte du transport convectif de l'eau à travers la membrane par un gradient de pression, de la distribution de la température dans la phase solide le long du canal, et du transfert de la chaleur par convection naturelle. Pour cela des échangeurs de chaleur sont pris en co-courant puis en contre-courant. Les résultats prouvent que la performance de la PEMFC pourrait être améliorée par l'humidification d'anode. La différence de pression positive entre la cathode et l'anode permet d’augmenter le taux de transport de l'eau à travers la membrane. Les résultats prouvent également que le transfert efficace de la chaleur est nécessaire pour empêcher la déshydratation de la membrane.

Chapitre 1 – Description et analyse bibliographique

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Bulten [BUL98] a développé deux approches modifiées de linéarisation de la couche mince12 et des modèles d'agglomérat13 pour étudier la couche active afin de tenir compte des effets de diffusion à travers la zone d'électrolyte. La validation de ces modèles est vérifiée et discutée par comparaison avec la solution numérique directe des équations de transfert par la méthode des éléments finis.

Wang [WAN01] a étudié analytiquement et numériquement l’écoulement diphasique et le transport des réactifs et des produits à travers la cathode d’une PEMFC. Des régimes simples et diphasiques de la distribution et du transport de l'eau sont classifiés par une densité de courant locale correspondant à l'apparition de l'eau liquide à l’interface de la membrane de cathode. Lorsque la cellule fonctionne au-dessus de la densité de courant utilisée, l'eau liquide apparaît.

Un modèle thermique pour une pile de 35 kilowatts du type V. de Ballard a été développé par Amphlett [AMP96] en effectuant le bilan de masse et le bilan énergétique. Ce modèle thermique a été couplé à un modèle électrochimique précédemment développé liant la puissance produite par la pile et la température de pile à la quantité et au mode de déplacement de la chaleur produite. Ce modèle électrochimique calcule le rendement de puissance d'une pile PEMFC par la prévision de la tension de cellules comme fonction complexe du courant de fonctionnement. Préalablement, un modèle dynamique global équilibré (modèle électrochimique couplé au modèle thermique) est développé.