Étude numérique et expérimentale des écoulements dans une pile à combustible de type pem adaptable aux applications embarquées

Experimental and numerical study of flows in pem fuel cell stacks for traction applications

• Auteur / Autrice : David Picot
• Direction : Jean-Jacques Bézian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : ENSMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navier-Stokes, Équations de

Coefficient de partage (chimie)

Piles à combustible

Résumé

Les difficultés dans l'optimisation et la conception des piles à combustible pem reposent en partie sur la maîtrise de l'eau et les transferts thermiques à l’intérieur des cellules actives. Aussi, une discussion théorique et expérimentale sur ce sujet est proposée. Sur 3 piles de nora (1, 5 et 10 kw), nous avons quantifié les coefficients de partage moyens de l'eau produite. Si les valeurs obtenues avec du nafion 117 sont en accord avec la littérature, les 40% d'eau produite récupérée dans le compartiment anodique avec du nafion 115 sont inattendus. La difficulté pour obtenir une formulation physique de l'électro-osmose ne permet pas de quantifier ce coefficient et nous conduit à justifier les limitations d'utilisation des codes numériques sur ce sujet. Cependant, en dissociant les paramètres intrinsèques de l'ensemble électrodes/membrane et les paramètres globaux de fonctionnement d'une cellule, il est possible d'extrapoler des stratégies d'humidification réalistes. Dans le cadre du projet europeen fever, nous avons développé un modèle systémique d'un module de puissance 30 kw, destiné au véhicule électrique. Pour une intégration énergetique optimale des piles de nora sur les applications limitées en volume, nous démontrons la nécessité de séparer les sections d'humidification de ces modules. Si les problèmes liés à la gestion de l'eau sont incontournables, nous avons, de plus, dans le cas de l'utilisation de l'air comme comburant, mis en évidence la présence d'azote dans le compartiment anodique en mode ferme et recirculateur. En accord avec les données de la littérature sur les coefficients de perméabilite du nafion, nous expliquons la migration de l'azote à travers l'electrolyte à l'aide de la théorie de la diffusion. Une discussion sur l’intérêt d'utiliser ces deux modes opératoires pour maximiser le rendement énergétique est proposée. Enfin, une étude numérique simple phase et double phase avec reconstruction d'interface est entreprise par la résolution des équations de Navier-Stokes en formalisme eulerien, afin d'aborder les problèmes liés aux écoulements internes des collecteurs des cellules de nora.