Étude du refroidissement diphasique d'une pile à combustible de traction automobile

Study of a fuel cell two-phase flow cooling for automotive applications

• Auteur / Autrice : Jérôme Bigot
• Direction : Philippe Marty, Nadia Caney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et transferts
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique et énergétique (Grenoble ; 199.-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe PSA
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Miscevic, Marina Cloarec, Alain Maréchal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Denis Maillet, Lounès Tadrist

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tubes -- Fluides, Dynamique des

Perte de charge

Refroidissement

Piles à combustible

Mots clés libres

Pile à combustible

Refroidissement

Ebulition

Mini-canaux

Pertes de pression

Coefficient d'échange

Assèchement

Cycle thermodynamique

Résumé

Cette étude s'inscrit dans le cadre du refroidissement des piles à combustible de traction automobile. La solution étudiée au cours de ce travail est le recours à écoulement en ébullition dans des mini-canaux situés à l'intérieur de la pile. Pour améliorer les connaissances encore disparates dans la bibliographie, deux bancs d'essais ont été construits. Le premier est constitué d'un seul mini-canal de section carré de 1 mm de côté pour se familiarise avec les techniques de mesure de pression et de température dans des petites dimensions et identifier les régimes d'ébullition prédominants. Le deuxième mesure les pertes de pression et le coefficient d'échange thermique dans des plaques constituées de plusieurs canaux en parallèle de section rectangulaire de 2,6 mm par 0,5 mm de côté. Les mesures obtenues montrent qu'en monophasique les résultats connus sur le facteur de frottement et le nombre de Nusselt pour des canaux conventionnels continuent de s'appliquer. En diphasique, le modèle homogène et celui de Mishima [1996] prédire les mesures de pertes de pression par frottement avec un écart moyen respectif de 29 et 15%. Pour le coefficient d'échange thermique, les corrélations utilisées donnent de bons résultats pour le calcul de la valeur moyenne mais échouent pour prédire les variations locales. Une représentation de ce coefficient en fonction de la vitesse apparente est proposée. Elle améliore les prédictions sur nos mesures ainsi que sur le titre critique d'apparition de l'assèchement pour notre dispositif expérimental et celui d'Agostini [2002].

This study lies within the scope of the fuel cell cooling for automobile traction. The solution studied during this work is the recourse to boiling flow in mini-channels located inside the pile. To improve still disparate knowledge in the bibliography, two experimental set-ups have been elaborated. First consists of only one square mini-channel of 1 mm on side to investigate the measurement techniques of pressure and temperature in small dimensions and to identify the prevalent two-phase flow pattern. The second gives pressure drop and heat transfer coefficient measurements in rectangular multi-channels configurations with a section of 2,6 mm by 0,5 mm on side. These measurements show that the results known on the factor of friction and the number of Nusselt for conventional channels in single phase flow continue to apply. In two phase flow, the homogeneous and Mishima [1996] models are able to predict measurements of frictional pressure drop with a respective average deviation of 29 and 15%. For the heat transfer coefficient, the correlations used give good results for the calculation of the average value but fail to predict the local variations. A representation of this coefficient according to superficial velocity has been proposed. It improves the predictions to our measurements and to the critical quality of the dry-out onset for our experimental set-up and that of Agostini [2002].