Piles à combustible PEMFC et SOFC - Transferts de chaleur et de masse

Les piles à combustible PEMFC et SOFC font l'objet de deux articles : description et gestion du système Piles à combustible PEMFC et SOFC- Description et gestion du système[BE 8 595] et transferts de chaleur et de masse [BE 8 596].

Dans ce second article, nous nous focaliserons sur la modélisation thermique des piles PEMFC (« proton exchange membrane fuel cell ») et SOFC (« solid oxide fuel cell »). La maîtrise de la température au sein d'une cellule et plus généralement d'un empilement de cellules (« stack ») est un gage de bon fonctionnement et d'augmentation de la durée de vie de la pile. Par son principe de fonctionnement, la cellule comporte des parties solides (électrodes et membrane) et des parties fluides (gaz et système de refroidissement gazeux ou liquide). La modélisation doit donc prendre en compte ces deux ensembles et leurs interfaces. Les techniques mises en œuvre ne sont pas les mêmes, méthode nodale par exemple pour les parties solides et méthode aux différences finies pour les gaz.

Les réactions s'accompagnent de transferts de masse et de variations des espèces qui doivent être pris en compte pour traduire les phénomènes de manière satisfaisante. Il en va de même du transfert d'eau à travers les membranes et les diffuseurs. Le couplage entre les deux parties, méthode nodale et méthode aux différences finies, doit prendre en compte les sens de circulation des gaz ; on se trouve ainsi en présence de deux configurations principales, cocourant ou contre-courant. La modélisation d'une cellule doit évidemment être étendue à l'assemblage dans son ensemble. La modélisation thermique des piles à haute température SOFC relève de la même démarche. Nous n'en donnerons ici que les grandes lignes.