Etude de l'ébullition du pentane en monocanal en vue de son utilisation pour le refroidissement des piles à combustible PEMFC

• Auteur / Autrice : Kathryn Oseen-Senda
• Direction : Michel Feidt, Olivier Lottin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Refroidissement

Piles à combustible

Résumé

Les piles à combustible sont une technologie prometteuse pour la génération d'énergie écologique dans diverses applications. Les piles à combustibles dans les applications de transport ont besoin de systèmes de refroidissement qui soient à la fois compacts, durables, non-conducteurs des électrons et qui travaillent à basse température. On choisit le pentane en ébullition en débit forcé comme étant la méthode la plus prometteuse. Les écoulements sont en minicanal de 0. 8 x 0. 8 mm en laminaire et à faible flux thermique. Pour étudier les instabilités, on a fait varier la compressibilité du système en amont de l'évaporateur. Les écoulements ont été visualisés de manière directe en radiographie neutronique à l'ILL avec un petit canal non-isolé puis avec un autre canal plus massif dans des conditions thermiques isolées. La visualisation neutronique montre deux régimes métastables : surchauffe liquide et ébullition. Les instabilités fortes de température des deux régimes sont corrélées avec le régime d'écoulement observé dans la visualisation. La boucle [male, ILULIAQ, a été conçue pour des tests en monocanal et en plaque. Les fuites thermiques ont été soigneusement réduites et l'incertitude sur le flux total est moins de 0. 1 W comparé au nominal de 1. 9W de puissance utile au nominal. Les résultats montrent une surchauffe liquide, suivie d'ébullition stationnaire. Les éventuelles instabilités sont faibles et ne sont pas corrélées à la compressibilité en amont. La perte de pression et le coefficient de transfert de chaleur étaient suffisant pour le refroidissement d'une pile. L'ensemble des études menées montre que le refroidissement en pentane diphasique pourrait être adapté aux besoins spécifiques des piles à combustibles et donc de résoudre les problèmes actuels de refroidissement. Ces travaux ont été réalisés au CEA-Grenoble.

Fuel cells present an immense opportunity for cleaner power generation in many applications. To meet the demands of polymer electrolyte fuel cells in transportation applications, a new type of compact, durable, non-conducting and low-temperature cooling system must be developed. We chose two-phase forced pentane cooling as the most promising new system, and tested this method in an experimental set-up designed to replicate conditions in a fuel cell. The flow is laminar in 0. 8 x 0. 8 mm channels at low thermal flux. To determine if instabilities will pose a problem, we test the variation of flow with the inlet compressibility. The flow is studied using neutron visualization which permits the study of hydrogen rich fluids without modifying the thermal boundary conditions. 'The neutron visualizations show the presence of two metastable states: superheated liquid and stable boiling. The strong temperature fluctuations are correlated to the flow regime observed in the visualization. ILULIAQ was the final experimental setup and was designed during the thesis for careful insulation of both monocanal and plate tests. The error in the total heat injected into the channel is 0. 1 W, while the total heat varies between land 5 W. The results show an initial superheated liquid followed by boiling with low instabilities uncorrelated to the inlet compressibility. Both the pressure drop and the heat transfer coefficient are sufficient for fuel cell cooling. Taken as an ensemble, these results indicate that boiling pentane in minichannels could be a promising method of cooling fuel cells while improving on the current technology. This work has been conducted at CEA-Grenoble.