Caractérisation des propriétés fluidiques des couches de diffusion des piles à combustible PEMFC par une approche numérique de type réseaux de pores et par une analyse d’images issues de la tomographie X

Study of transport properties and two-phase flow in the Gas Diffusion Layer of Fuel Cells (PEMFCs) using a pore network representation and numerical images obtained from tomography X

• Auteur / Autrice : Loïc Ceballos
• Direction : Marc Prat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 25/01/2011
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Quintard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Prat, Michel Quintard, Alexandre Vabre, Dominique Bernard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Didierjean, Fabien Cherblanc

Mots clés

Mots clés libres

Piles à combustible

Couches de diffusion

Milieux poreux

Capillarité

Réseaux de pores

Flux diphasiques

Tomographie

Fuel Cells

Gas Diffusion Layers

Porous media

Capillarity

Pore network models

Two phase flow

Tomography

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés des transports diphasiques au sein des couches de diffusions (Gas Diffusion Layer = GDL) des piles à combustible PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). La GDL est faite d'une structure fibreuse (dont l'épaisseur est de quelques centaines de micromètres) traitée généralement avec une matière hydrophobe. Des images numériques de la GDL réelle obtenues par tomographie X sont d'abord analysées afin d'étudier des propriétés telles que la porosité, la perméabilité, ou le tenseur de diffusion. L'écrasement de la GDL est ensuite simulé en utilisant un algorithme comprimant les fibres dans un plan transversal. Les transports diphasiques (invasion quasi statique d'eau liquide) sont modélisés dans des réseaux de pores, milieux représentatifs de l'espace poreux de la GDL, en relation avec le problème de la gestion de l'eau dans les piles PEMFC. Deux algorithmes d'invasion, dénommés algorithmes séquentiel et cinétique, sont développés et comparés pour analyser les distributions de phases au sein des GDL. Un point clé est que l'eau rentre dans la couche poreuse par divers points d'injection indépendants, conduisant à la possibilité de multiples points de percée. Des expériences sur un système microfluidique sont conduites pour valider les algorithmes utilisés. Une étude statistique est menée pour caractériser le nombre de points de percée, les profils de saturation, l'accès au gaz, le transport diffusif, de même que l'influence du piégeage et de la mouillabilité mixte.

This thesis is devoted to the study of transport properties and two-phase flow in the Gas Diffusion Layer (GDL) of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). A GDL is a thin fibrous structure (a few hundreds μm thick) treated generally with a hydrophobic agent. Numerical images obtained from X-ray computed tomography X are first exploited to study properties such as the porosity, permeability and diffusion tensors of a real GDL microstructure. The effect of GDL compression is also investigated using an algorithm mimicking the compression in GDL through plane direction. Then two phase flow (quasi-static water invasion) is studied in relation with the water management problem in PEMFC, using a structured pore network representation of the pore space. Two invasion algorithms, referred to as the sequential and the kinetic algorithm respectively, are developed and compared to study the fluid distributions within the GDL. A key point is that water enters the porous layer through multiple independent inlet injection points, leading to the possibility of many breakthrough points. Experiments are conducted on a microfluidic device to validate the algorithms. A numerical statistical study is performed to characterize the breakthrough point statistics, saturation profiles, gas access, diffusion transport as well as the influence of trapping and mixed wettability.