L’humidification et l’assèchement de la membrane d’une pile sont au cœur des problèmes qu’il faudra résoudre. Il y a très peu d’études qui ont été menés dans ce sens et en particulier sur la gestion d’eau liquide dans les structures diffusives de la cellule. L’étude menée dans les conditions d’un régime stationnaire monodimensionnel par Zhingang [ZHI06] et qui a consisté à placer une structure microporeuse entre la GDL et la zone active, montre que le flux d’eau liquide à travers la membrane de diffusion croit avec l’angle de contact et la porosité de la structure et ce, lorsque l’épaisseur du diffuseur décroit. Cela augmente la performance d’extraction d’eau liquide de la cellule. Lorsque l’épaisseur totale de la structure microporeuse (inférieure à 3 µm) et celle de la GDL sont constantes, le flux d’eau liquide augmente considérablement.
La mesure de l’humidification des gaz par utilisation des injecteurs a été menée par Seung [SEU07]. Les différentes conditions opératoires employées pour évaluer la performance d’humidification des gaz sont entre autres, un injecteur, un appareil de contrôle d’eau et un « Duplex Enthalpy Mixer ». Cela consiste à mesurer la température du point de rosée des gaz humidifiés. Il a constaté que la performance de l’humidification est fortement liée à la température de l’eau injectée ainsi qu’aux débits des gaz au cours du processus. Il est arrivé à la conclusion que l’humidité relative de la cellule peut atteindre 45% lorsque la température opératoire est de 65°C dans une large gamme de débit des gaz. Cette valeur peut être obtenue en utilisant un type d’humidificateur spécialement conçu à cet effet et qui pourrait utiliser la chaleur résiduelle du liquide de refroidissement de la cellule.
En examinant l’efficacité de divers matériaux de couche de diffusion de gaz et par le biais du flux de matière sur une gamme de certaines conditions d'exploitation, Dusan [DUS07] a voulu connaitre leur apport dans l'extraction de l'eau liquide présente à la cathode. Par visualisation
de l’eau présente dans la cellule, il a obtenu une courbe de polarisation complète ainsi que l’évolution du courant au cours du temps. Il est arrivé à la conclusion que certaines conditions opératoires comme la densité de courant, certaines conditions liées à l’écoulement à la cathode peuvent être définies comme critères afin de connaitre l’influence des matériaux dans la gestion de l’eau. A la même densité de courant employée (connue par la production d’eau) les traces de la quantité d’eau dans les canaux cathodiques prouvent que l’eau liquide a été présente dans les pores de la GDL et de la zone active, et cela se traduit par une chute de tension à la sortie. Le transport des gaz peut être inhibé par la saturation en eau des pores de la GDL. L’eau liquide présente dans les canaux se limite dans la plupart des cas dans la région de contact entre les parois latérales et la GDL. La barrière de pression est un facteur important de l’efficacité de transport d’eau dans les canaux de gaz, en particulier pour l’hydratation de la membrane.
Un modèle mathématique a été développé par Sergeï [SER09] pour connaitre l’effet de la conductivité thermique et du coefficient de diffusion de la vapeur d’eau dans la GDL. Différents scénarios sur des types de GDL basés sur la condensation de l’eau dans la structure de la GDL ainsi que la fraction d’eau que la GDL est à mesure d’extraire de la phase vapeur ont été menés. Il a montré que les conditions de condensation de la vapeur et le mode de transport à travers la GDL dépendent fortement de la combinaison du coefficient de diffusion de la vapeur d’eau et de la conductivité thermique de la GDL.
Dans une étude menée par Turhan [TUR09], sept différentes configurations d’écoulement ont été testées dans des conditions d’entrés humides et sèches, utilisant la méthode d’images par neutrons. Les résultats ont montré l’impact de la configuration de l’écoulement sur le stockage d’eau liquide. Dans certains cas on peut obtenir deux fois le stockage d’eau liquide dans la structure comparé à d’autres mais présentant les mêmes performances dans des conditions de basses densités de courant. La fraction d’eau à extraire de la phase vapeur est effectuée à 90% par les composants de la GDL. Cette quantité dépend de l’épaisseur et de la porosité de ses constituants.
L’effet des conditions opératoires telles la charge, la température, l’humidité relative ainsi que les conditions de vieillissement de la membrane sur le pH de l’eau extraite de la cathode et de l’anode a été étudié par Aboubakar [ABO09]. La valeur de pH de l’eau extraite a été mesurée au cours de l’expérience et elle est inférieure à 1, dans des conditions de basses température et humidité relative. L’augmentation de la valeur de la charge, de la température ou de l’humidité relative est une conséquence de l’augmentation de la mesure du pH excepté dans des conditions de basses température et humidité relative. Cela signifie que l’eau obtenue dans ces conditions est acide compte tenu de la valeur du pH que l’on mesure. Ainsi la mesure du pH peut être directement corrélée par les conditions opératoires de la cellule.
Utilisant la méthode de Boltzmann dite “lattice Boltzmann method” (LBM), un calcul numérique a été fait pour connaitre le comportement dynamique de la condensation de l’eau et de l’écoulement des gaz dans la pile. Une extension a été faite en tenant compte de la porosité des milieux comme la GDL, puis une simulation des écoulements diphasiques avec une large différence de densité des pores des milieux considérés. L’interaction entre les deux phases dans les deux dimensions a été démontrée dans cette étude. La simulation du comportement de l’eau dans l’écoulement des gaz dans les canaux à air avec une GDL simplifiée montrent que la mouillabilité du canal a un effet considérable sur l’écoulement diphasique.
Chapitre 1 – Description et analyse bibliographique
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