Présentation des GDLs (Gas Diffusion Layer)

1.1.3.Transport de l'eau en phase liquide...20

1.1.3.1.Modèle 1 : Pression capillaire de Udell Leverett, perméabilité de Corey...22 1.1.3.2.Modèle 2 : Pression capillaire de Brooks et Corey, perméabilité de Burdine...22 1.1.3.3.Modèle 3 : Pression capillaire de Kumbur et al., Perméabilité de Gostick...22 1.1.3.4.Modèle 4 : Pression capillaire de Kumbur modifiée, Perméabilité de Gostick...23

1.1.4.Cas où la GDL est partiellement saturée – modèle à deux zones...25

1.2.Transport de l'eau dans la membrane...26

1.2.1.Présentation de la membrane...26

1.2.1.1.Classification...27 1.2.1.2.Le Nafion®...27 1.2.1.3.Modèles structuraux de membrane basés sur l'observation...28 1.2.1.4.Le paradoxe de Schröeder...30 1.2.1.5.Transport de charges et d'eau dans une membrane de pile à combustible : modélisation. ...30

1.2.2.Transport de l'eau par diffusion...32

1.2.3.Transport de l'eau par électroosmose...36

1.3.Transport de l'eau dans les électrodes...37

1.4.Analogie électrique...39

2.Évolution des flux d'eau le long des canaux...41

2.1.Conditions aux limites aux interfaces GDL/canal...41

2.1.1.Calcul de l'humidité relative des gaz dans les canaux...41

2.1.2.Calcul de la saturation...42

2.1.2.1.Viscosités dynamiques...45

2.2.Évolution de la composition des fluides dans les canaux : la 2ème dimension...47

2.3.Stratégies d'alimentation à co- et à contre-courant...49

3.Modélisation macroscopique de l'évolution de la température...51

3.1.Sources de chaleur...52

3.2.Évolution de la température le long de l'écoulement...52

3.2.1.Circuit de refroidissement...52

3.2.2.Bilans d'énergie...53

4.Bilan modèle ...54

5.Algorithmique...54

5.1.Différents cas 1D, conditions de validités...54

5.2.Pseudo 2D, couplage courant/eau/température, géométrie...57

6.Conclusion...59

Annexe : limites de validité des cas d'hydratation dans l'épaisseur de la pile...61

Dans une cellule de pile à combustible, plusieurs phénomènes physiques couplés se produisent.

Ainsi, la réaction électrochimique impose un transfert des protons au travers de l'électrolyte et un

transport des électrons d'une électrode à l'autre. Cette réaction étant exothermique, une source de

chaleur est localisée au niveau des électrodes et des transferts de chaleur s'y produisent. La réaction

produit aussi de l'eau au niveau de la cathode. De l'eau circule donc dans les différents éléments

constituant la PEMFC. Ces trois types de transports que sont le transport de l'eau, des charges et de

la chaleur sont intimement couplés. En effet, l'hydratation de l'électrolyte aura une influence directe

sur le transport des protons. De même, il est évident que le transport de la chaleur et donc la

température dans la pile aura un impact sur la quantité d'eau et donc sur son transport.

Les interactions entre tout ces transports ont une influence directe sur la puissance électrique de la

pile et il est nécessaire d'établir un modèle prenant en compte tous ces phénomènes afin d'estimer

l'état interne et les performances de la pile en fonction des conditions opératoires.

On s'attachera dans un premier temps à étudier le transport de l'eau, qu'elle soit sous forme liquide

ou vapeur dans les différents éléments constituant une pile. L'évolution de la température le long de

la pile sera aussi étudié ici avant d'être présenté plus en détail dans la partie Chapitre 6 - . De même,

le couplage entre l'eau dans la pile et les transferts de charges sera présenté dans le Chapitre 3 - .

1. Transport d'eau – modèle 1D

La réaction électrochimique se produisant dans une PEMFC est décomposée en deux

demi-réactions : l'oxydation de l'hydrogène à l'anode et la réduction de l'air à la cathode. Pour cela, les

gaz sont distribués sur toute la surface de la cellule par les canaux d'alimentation gravés dans les

plaques bipolaires. Afin de garantir une répartition homogène des gaz réactifs au niveau des sites de

réaction, une couche de diffusion est insérée entre la plaque bipolaire et l'électrode. La réaction

électrochimique produit de l'eau qui doit être évacuée pour ne pas encombrer les sites réactionnels.

De plus, pour assurer une hydratation suffisante de la membrane nécessaire au passage des protons,

les gaz réactifs sont parfois humidifiés. Il convient alors de prendre en compte le transport des gaz

réactifs (hydrogène et air) et de l'eau (produite et introduite) dans le modèle.

Dans cette partie, la modélisation du transfert de matière dans les couches de diffusion et dans la

membrane, dans la direction perpendiculaire au plan des électrodes, est présentée.

1.1. Transport de l'eau dans les couches de diffusion (GDL)

1.1.1. Présentation des GDLs (Gas Diffusion Layer)

Dans les piles à combustible, les couches de diffusion ou GDL ont quatre fonctions principales :

–

La première est d'homogénéiser la distribution des gaz sur l'ensemble de la surface des

électrodes. Les matériaux utilisés sont donc poreux et la taille de leurs pores est

intermédiaire entre celle des pores des électrodes et la taille des canaux de distribution des

gaz.

–

Par ailleurs, les GDL doivent permettre le transport des électrons. En effet, les électrons

produits par l'oxydation de l'hydrogène traversent les couches de diffusion, puis les plaques

bipolaires, avant de circuler dans le circuit extérieur sur lequel est branché la charge à

alimenter, pour finalement participer à la réduction de l'oxygène à la cathode. Les matériaux

utilisés doivent donc être conducteurs électroniques.

–

Les couches de diffusion doivent permettre le passage de l'eau. D'une part l'eau

accompagnant les réactifs est acheminée jusqu'aux électrodes via les GDL, mais d'autre part

l'eau produite par la réaction électrochimique ne peut être évacuée qu'en passant au travers

de ce matériau. La problématique de gestion de l'eau dans la pile sera discutée plus en détail

dans la partie consacrée au couplage entre l'eau et le courant produit par la pile (cf. Chapitre

3 - ). Pour faciliter le transport de l'eau, les matériaux utilisés sont traités de manière à être

partiellement hydrophobes.

–

Enfin, les GDL participent à l'évacuation de la chaleur produite par la réaction

électrochimique au niveau des électrodes et par effet Joule lors du passage des protons dans

la membrane. Les matériaux constituant les couches de diffusion doivent donc permettre le

transport de la chaleur des zones réactives jusqu'aux plaques bipolaires dans lesquelles est

inséré le circuit de régulation thermique.

Dans les PEMFC, les GDL utilisées sont généralement constituées de fibres de carbone

partiellement recouvertes de Téflon® pour les rendre hydrophobes. Le carbone assure la

conductivité électronique et thermique du matériau. Comme on peut le voir sur la Figure 2.21, les

fibres de carbone utilisées ont un diamètre compris entre 5 et 10µm.

Les GDL couramment utilisées présentent des épaisseurs « hors pile » variant entre 200 et 400µm.

Une fois montées dans une pile à combustible, elles se trouvent comprimées entre les plaques

bipolaires et l'assemblage membrane/électrode et leur épaisseur effective diminue de 10 à 40% [2].

Le Téflon® étant un isolant électronique, et afin que le transport des électrons reste possible, le

traitement hydrophobe n'est pas appliqué sur l'intégralité des fibres. La charge massique de Téflon®

des GDL varie entre 5 et 30% et il a été montré qu'elle a une influence directe sur les performances

électriques de la pile [3]-[4]-[5].

La Figure 2.2 présente les images de deux GDL réalisées au microscope électronique à balayage. La

Figure 2.1: Image MEB d'une GDL usagée. CIPP (Centre Intégré en Pâtes et Papiers)– UQTR –

Trois Rivières

structure des GDL varie selon le procédé de fabrication. Deux principaux type de structures sont

utilisés. Sur l'image de gauche, on observer une structure faite de fibres rectilignes correspondant à

une GDL de type feutre (ou « paper »). Sur l'image de droite, les fibres de carbone sont courbes et

composent une GDL de type tissu (ou « cloth »). Ces différences de structures peuvent engendrer

des différences de comportement, en particulier au niveau du transfert de chaleur.

Telles que le laisse supposer ces images, les matériaux utilisés pour les couches de diffusion sont

anisotropes. Dans la suite de cette étude, les transferts seront supposés 1D dans le sens de

l'épaisseur (perpendiculaire au plan des images de la Figure 2.2).

La porosité 

_GDL

quantifie la fraction de volume occupée par la phase fluide (ou les pores) par

rapport au volume total du matériau. La porosité des GDL se situe autour de 80% selon leur

structure [6]. Elle est modifiée par le traitement hydrophobe appliqué. Ainsi, plus la charge en

Téflon® augmente, plus la porosité diminue [4]. Benziger et al. [7] montrent que la porosité passe

de 72% pour du feutre non traité à 50% pour un feutre chargé en masse avec 60% de Téflon®. La

compression des GDL n'agit pas seulement sur l'épaisseur mais aussi sur la porosité et la

perméabilité des matériaux. La résistance au transfert de matière est alors augmentée. Lee et al. [2]

ont mesuré que pour des contraintes comprises entre 0 et 10,3 bars, la perméabilité diminue d'un

facteur 2 environ, puis se stabilise au-delà.

Dans le modèle présenté dans ce chapitre, on néglige la résistance des GDL au transport des gaz par

diffusion. Cette hypothèse est justifiée par la valeur élevée du coefficient de diffusion moléculaire

des gaz et par la faible épaisseur des GDL. Cependant, une étude bidimensionnelle plus détaillée à

l'échelle locale, prenant en compte l'allongement des lignes de flux du fait de la présence des parois

des canaux doit être entreprise pour confirmer ou non cette hypothèse.

Dans le document Comportement local et performances électriques d'une pile à combustible à membrane : vers un outil de diagnostic (Page 35-39)