Auteur / Autrice : | Erwan Tardy |
Direction : | Yann Bultel, Jean-Philippe Poirot-Crouvezier |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Mécanique des fluides, procédés, énergétique, |
Date : | Soutenance le 10/12/2021 |
Etablissement(s) : | Université Grenoble Alpes |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) |
Jury : | Président / Présidente : Laurent Davoust |
Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Didierjean, Marc Prat |
Mots clés
Résumé
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (ou PEMFC selon l'acronyme anglais) est une option sérieuse dans de nombreuses applications notamment pour décarboner le secteur du transport. Parmi les obstacles, le coût et la durabilité représentent les deux défis principaux à relever pour réaliser des systèmes de piles à combustible propres, fiables et rentables. Une bonne gestion de l'eau liquide et de la chaleur produites dans les piles à combustible de type PEM est cruciale pour augmenter à la fois ses performances et sa durabilité. En effet, de grandes variations d'eau liquide et de température peuvent détériorer de façon irréversible la structure des cellules (microfissures dans la membrane, changement de la composition chimique des catalyseurs, etc.).Dans cette étude, la théorie complexe des écoulements diphasiques dans les piles à combustible de type PEM est décrite en mettant l'accent sur la moyenne volumique locale des équations de conservation en milieu poreux. À partir de cette analyse théorique, deux modèles multi-physiques et multi-composants ont été développés en considérant dans un premier temps un écoulement monophasique puis diphasique pour étudier les hétérogénéités de l'eau liquide dans les piles à combustible de grande surface. Les deux modèles considèrent la cellule comme un système multicouche où chaque composant est discrétisé selon son épaisseur. Cette approche pseudo-3D est implémentée dans le logiciel commercial COMSOL Multiphysics® pour simuler le fonctionnement d’une cellule grande surface avec un temps de calcul raisonnable tout en représentant de manière fidèle le design des plaques bipolaires. Les résultats numériques sont comparés à des mesures d'eau liquide obtenues par imagerie neutron pour plusieurs conditions opératoires. Les avantages et les inconvénients des deux modèles sont discutés. De plus, une étude de sensibilité est réalisée pour analyser certains paramètres clés dans la modélisation des mécanismes de transport de l'eau. Enfin, la distribution de l'eau est examinée dans les différents composants d’une cellule avec les deux modèles.