Simulation et analyse des mécanismes de transfert diphasique dans les Couches Actives des Piles à Combustible PEMFC

Simulation and analysis of two-phase transport mechanisms inside the Cathode Catalyst Layer of the PEM Fuel Cell

• Auteur / Autrice : Mohamed El Hannach
• Direction : Marc Prat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 10/11/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)

Mots clés

Mots clés libres

Transport diphasique

Gestion de l'eau

Diffusion

Réseau de pores

Milieu poreux

Mouillabilité mixte

Couche active

Pemfc

Two-phase transport

Water management

Diffusion

Pore network

Mixed wettabiliy

Porous media

Pemfc

Catalyst layer

Résumé

Afin de pouvoir utiliser les piles à combustible du type PEMFC dans une application automobile, leur coût doit être diminué et leur durée de vie doit être augmentée. De nombreux résultats montrent que la gestion de l'eau dans les piles PEMFC est essentielle sur ces aspects et qu’une meilleure maitrise contribuera a développer des piles plus performantes. La couche active cathodique (CCL, Cathode Catalyst Layer) est le lieu de production de l'eau ce qui en rend l'optimisation importante pour assurer une bonne gestion de l'eau. Dans ce travail, la méthode réseau de pores a été adaptée pour modéliser le transport diphasique dans la structure poreuse de la CCL. Dans l'état de l'art actuel, le modèle développé est le seul permettant d’analyser l'effet des proprietes locales de la CCL (structure, mouillabilite…) sur les mecanismes de transport diphasique. Cet outil de compréhension constitue également une base pour proposer des améliorations de la CCL afin d'améliorer les performances des piles. Les algorithmes d'invasion développés ont été analysés d'une façon détaillée. Le transport fluidique (gaz et liquide) est couplé avec le transport des charges (électrons et protons) par un modèle de réaction électrochimique. Les mécanismes de capillarité, de diffusion gazeuse et d’evaporation sont integres au modele afin d'avoir une représentation la plus complète possible du fonctionnement de la CCL. La description de la structure poreuse par un réseau de pore régulier, l'algorithme d'invasion de l'eau liquide et le modèle de la diffusion des gaz ont été validés par des comparaisons avec des résultats expérimentaux de la littérature ou spécifiques de ce travail. Le modèle est ensuite exploité pour analyser l'effet des paramètres de la CCL tels que la mouillabilité et la taille des pores sur les performances de la couche active. Les résultats permettent d’analyser de premieres idees de modifications de la CCL pour ameliorer la gestion de l’eau et les performances des PEMFC.

In order to use PEM fuel cells in an automotive application, their cost must be reduced and their lifetime must be increased. Many results show that water management is a critical issue in PEMFC optimization. The water is produced in the cathode active layer (CCL) which makes the optimization of this component very important to ensure a better water management in the PEMFC. In this work, the pore network method has been adapted to model the two-phase transport in the porous structure of the CCL. Considering the state of the art, this is the only model developed to analyze the effect of local properties of the CCL (structure, wetting ...) on the two-phase transport mechanisms. This model is proposed as a scientific tool to help understanding the fundamentals behind the transport phenomena inside the CCL and also to help in the conception of the future CCL. The liquid invasion algorithms developed in this work were analyzed in details. The fluids transport (gas and liquid) is coupled with the charges transport (electrons and protons) using an electrochemical reaction model. The capillary driven liquid transport, the gas phase diffusion and the evaporation process are all integrated into the model in order to have the most possible complete description of the CCL. The description of the porous structure by a regular network, the liquid invasion algorithm and the gas diffusion model all have been validated by comparisons with experimental results from literature or specific work . The model is then exploited to analyze the effect of parameters such as the CCL wettability and pore size distribution on the performance. The results allow analysis of initial ideas that can help in the conception of the CCL in order to improve the water management and the performances of the PEMFC.