Revue de la litt´erature

Dans les canaux d’alimentation

La distribution non uniforme des r´eactifs, des temp´eratures et de la densit´e de courant

dans le plan de la cellule a ´et´e mise en ´evidence num´eriquement par Costamagna [Cos01].

Toutefois, les canaux d’alimentation assurant la r´epartition des gaz dans la cellule ne sont pas

pris en compte. La plaque bipolaire est assimil´ee `a un milieu poreux assurant la distribution

des gaz sur toute la surface de la cellule. Ainsi la r´epartition des r´eactifs ne correspond pas

`a celle obtenue pour une pile aliment´ee par des canaux d’alimentation internes aux plaques

bipolaires.

A l’aide d’un mod`ele pseudo-2D, en r´ealit´e compos´e de deux r´esolutions

monodimen-sionnelles coupl´ees dans l’AME et dans les canaux, Fuller et Newmann [FN93] calculent les

´evolutions de la concentration et de la temp´erature des gaz d’alimentation le long des canaux.

L’´echauffement des gaz, fortement li´e aux ´echanges thermiques avec le circuit de

refroidisse-ment, peut ˆetre suffisamment important pour entraˆıner la d´eshydratation de la membrane en

cas d’´evacuation insuffisante de la chaleur.

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

Les variations de concentration le long des canaux sont mises en ´evidence par Gurau et

col. [GLK98] grˆace `a leur repr´esentation bidimensionnelle du cœur de pile. Ces r´esultats sont

confirm´es par la r´ecente publication de Ju et col. [JMW05], o`u les ´evolutions de la

concen-tration et de la temp´erature des gaz d’alimentation entraˆınent des variations de densit´e de

courant en fonction de la distance `a l’entr´ee des gaz (figure (VI.2), (VI.3), (VI.4)).

Fig. VI.2–D´efinition des conditions de fonctionnement ´etudi´ees [JMW05].

Il apparaˆıt alors clairement que les variations de densit´e de courant le long des canaux

m´eritent d’ˆetre consid´er´ees. L’influence des variations de concentration dans les canaux sur

le comportement ´electrique de la cellule (notamment en terme de r´esistance ohmique) est

discut´ee par Futerko et Hsing [FH00] `a l’aide de leur mod`ele bidimensionnel. Ces approches

sont compl´et´ees par des ´etudes num´eriques permettant d’envisager diff´erentes configurations

de canaux d’alimentation [DSZ01, JLPK04]. Les vitesses d’´ecoulement et les chutes de pression

sont ´egalement estim´ees.

Dans le but de d´efinir les valeurs des nombreux coefficients utilis´es par les pr´ec´edentes

mo-d´elisations, certains auteurs s’attachent plus particuli`erement `a caract´eriser les ph´enom`enes

de transport dans la plaque bipolaire seule. Les travaux de Yuan et col. [YRS01] pr´esentent

les nombres de Nusselt et de Reynolds obtenus par simulation num´erique des ´ecoulements sur

des canaux de diff´erentes sections. Les mˆemes informations sont issues de simulations pour la

comparaison d’une g´eom´etrie des canaux d’alimentation de type serpentin ou de type fractal

(le canal principal d’alimentation se s´epare en deux canaux de section plus r´eduite qui se

s´eparent eux-mˆemes en deux autres canaux, etc.) [SP04]. Les auteurs pr´econisent l’utilisation

du second type de g´eom´etrie de canaux r´eduisant les pertes de charges.

Fig. VI.3–Evolution de l’activit´e de l’eau et de la temp´erature en fonction de la distance `a l’entr´ee

dans la plaque bipolaire [JMW05].

Fig. VI.4– Evolution de la densit´e de courant en fonction de la distance `a l’entr´ee dans la plaque

bipolaire [JMW05].

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

L’´equipe de Djilali a r´ecemment publi´e plusieurs articles sur la repr´esentation

bidimen-sionnelle et tridimenbidimen-sionnelle des ph´enom`enes de transport dans le cœur de pile en r´egime

permanent. Dans un premier mod`ele bidimensionnel, Singh et col. [SLD99] montrent

l’in-fluence des variations de concentration en eau dans les canaux d’alimentation sur la

r´eparti-tion de l’eau dans la cellule. Une autre approche 3D [BLD02] permet de d´ecrire l’ensemble des

ph´enom`enes de transport dans une cellule (conduction thermique dans les plaques bipolaires,

transports convectifs de masse et de charge dans les canaux d’alimentation, et transferts

de l’eau et des gaz dans l’AME). La r´esolution num´erique du mod`ele donne les champs

de concentrations, de temp´erature et de densit´e de courant dans les canaux d’alimentation,

venant confirmer les observations pr´ec´edentes. Toutefois, le circuit de refroidissement n’est

pas pris en compte et une condition de flux nul est impos´ee aux extr´emit´es de

l’empile-ment. Ainsi les r´esultats obtenus surestiment probablement l’´echauffement du cœur de pile.

Le mˆeme mod`ele est utilis´e pour la repr´esentation d’une cellule aliment´ee par des canaux

«serpentins»[NBD04].

Saturation

Certaines ´etudes se restreignent `a l’´etude des transferts diphasiques cˆot´e cathodique

dans le but de mettre en ´evidence les m´ecanismes et les origines de la condensation de l’eau

vapeur en eau liquide. La cathode seule est ´etudi´ee car elle est le site de production de l’eau et

correspond par cons´equent aux lieux o`u le risque de condensation est le plus ´elev´e. L’influence

de ce ph´enom`ene sur les performances de la cellule est mod´elis´ee et discut´ee dans l’´etude de

You et Liu [YL02]. Les auteurs montrent que les m´ecanismes de saturation sont fortement

d´ependants des conditions de fonctionnement (humidit´es relatives et densit´e de courant) et

des caract´eristiques des couches de diffusion. Les travaux de Natarajan et Nguyen [NN01]

permettent de pr´eciser l’influence de param`etres tels que la porosit´e des diffuseurs et la taille

des canaux d’alimentation sur l’apparition de l’eau liquide.

Les deux pr´ec´edentes approches pr´esentent l’inconv´enient d’ˆetre isothermes. L’influence

de la temp´erature locale sur la pression de vapeur saturante est alors n´eglig´ee. La mod´elisation

non isotherme des transferts diphasiques `a l’anode et `a la cathode de Berning et Djilali

[BD03a] permet de pr´eciser les m´ecanismes `a l’origine des ph´enom`enes d’´evapo-condensation

dans la cellule :

– La consommation des gaz r´eactifs et la production d’eau entraˆınent une augmentation

du titre molaire en eau. Ce proc´ed´e seul m`enerait alors `a la condensation de la vapeur

d’eau une fois le titre de saturation atteint.

– Les variations de pression totale du m´elange gazeux peuvent mener, suivant les

condi-tions d’approvisionnement, `a la condensation ou l’´evaporation de l’eau. La

consom-mation des r´eactifs se traduit par une diminution de la pression totale du m´elange

gazeux (fortement d´ependante de la perm´eabilit´e des diffuseurs), et donc de la

pres-sion partielle en eau. Dans ce cas, cet effet se traduit par l’´evaporation de l’eau liquide.

En revanche, quand l’air est sec, une majorit´e de l’eau liquide produite est vaporis´ee.

Ainsi, pour une mol´ecule d’oxyg`ene deux mol´ecules de vapeur d’eau sont produites.

La pression du m´elange gazeux augmente alors et se traduit par de la condensation.

– Enfin, la pression de saturation est fonction de la temp´erature. L’augmentation de

temp´erature locale due `a la chaleur produite par les m´ecanismes ´electrochimiques

(Chapitre IV) induit une augmentation de la pression de vapeur saturante, favorisant

l’´evaporation de l’eau liquide.

Dans le stack

Enfin, ces descriptions de la cellule ne permettent pas une repr´esentation globale du

stack en fonctionnement, bien que certains auteurs utilisent les r´esultats de simulations (ou

exp´erimentations) sur une cellule seule pour les ´etendre `a leur assemblage en stack. Lee et

Talk [LL98] ont montr´e la possibilit´e d’approcher les performances ´electriques d’un stack `a

partir de la caract´erisation d’une cellule seule, en comparant les r´esultats de leur simulation

`a des essais exp´erimentaux sur un stack de 5 cellules.

Pathapati et col. [PXT05] ont r´ecemment mis en place une mod´elisation transitoire des

ph´enom`enes de transfert dans un stack en s’appuyant sur les r´esultats du comportement de

la cellule. Les temps de r´eponse ´electrique observ´es sont de l’ordre de 2 minutes.

Amphlett et col. [AMP⁺96] proposent une mod´elisation de la r´eponse transitoire d’un

stack PEMFC. L’approche syst`eme utilis´ee pour leur mod`ele permet de traduire le

com-portement ´electrique en fonction des conditions ext´erieures de fonctionnement. Cependant,

l’approche mise en oeuvre ne prend pas en compte la physique des transferts dans le cœur

de pile : la tension de cellule est notamment estim´ee `a l’aide de simples corr´elations de type

loi de Tafel. Cette approche est ´egalement utilis´ee par Zhang et col. [ZOL+04] qui ont mis

au point un mod`ele thermique transitoire du syst`eme (stack, pompe, radiateur...) `a partir

de consid´erations thermodynamiques. Les temps de r´eponse de ces deux mod`eles sont de

l’ordre de la vingtaine de minutes, bien plus importants que ceux relev´es par Pathapati et

col. [PXT05].

Les diff´erentes techniques d’assemblage des cellules en stacks sont discut´ees dans l’article

de Jiang et Chu [JC01] qui affirment qu’un assemblage `a l’aide de plaques bipolaires est le

plus appropri´e pour des puissances moyennes ou importantes (de 100 W `a 1 M W). Cette

technique d’assemblage reste alors la plus r´epandue et par cons´equent la plus ´etudi´ee.

Dans le document Transferts couplés masse-charge-chaleur dans une cellule de pile à combustible à membrane polymère : (Page 161-165)