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RÉSUMÉ
La maîtrise de la température dans une cellule et dans un empilement de cellules est un gage de bon fonctionnement et d'augmentation de la durée de vie de la pile PEMFC. La cellule comportant des parties solides et des parties fluides, 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. La modélisation d'une cellule doit évidemment être étendue à l'assemblage dans son ensemble. La modélisation thermique des piles à haute température SOFC est assez similaire.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Denis CANDUSSO : Chargé de recherche à l'Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité (INRETS)
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Raynal GLISES : Maître de conférences HDR à l'université de Franche-Comté
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Daniel HISSEL : Professeur à l'université de Franche-Comté
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Jean-Marie KAUFFMANN : Professeur à l'université de Franche-Comté
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Marie-Cécile PERA : Maître de conférences HDR à l'université de Franche-Comté
INTRODUCTION
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.
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1. Modèle de PEMFC
1.1 Généralités
La structure interne d'une cellule de pile à combustible à membrane échangeuse de protons a été globalement présentée dans le premier article « description et gestion de ces systèmes » Piles à combustible PEMFC et SOFC- Description et gestion du système[BE 8 595]. De manière plus détaillée, la figure 1 représente une coupe de cellule de PEMFC (proton exchange membrane fuel cell ) contenant un assemblage électrode-membrane-électrode (EME) inséré dans deux plaques bipolaires pour une cellule.
on trouve fréquemment dans la littérature l'acronyme AME pour assemblage membrane électrodes à la place de l'ensemble EME.
Les plaques bipolaires ont pour rôle de collecter les électrons tout en assurant le support des canaux d'amenée du combustible et du comburant ainsi que le circuit d'eau de refroidissement. Les canaux d'alimentation des gaz sont directement usinés sur les faces internes des plaques bipolaires. On peut retrouver des géométries de type « serpentin » ou « plot ». Le rôle des canaux gazeux est de permettre l'alimentation des cellules en combustible hydrogène H2 et en air dont l'élément important est l'oxygène O2 . Les diffuseurs, ou couches de diffusion, sont des milieux électriquement conducteurs et poreux. Leur rôle est de permettre une répartition la plus homogène possible des réactifs sur les surfaces des électrodes tout en autorisant le transfert des électrons depuis l'anode jusqu'à la cathode en passant par le circuit externe de la cellule vers sa voisine. Ces structures n'excèdent pas quelques micromètres d'épaisseur et peuvent être métalliques ou à base de mousse de carbone. Les électrodes et leurs sites catalytiques en particulier ont pour rôle d'oxyder l'hydrogène à l'anode et de réduire l'oxygène...
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ANNEXES
Le lecteur est invité à consulter la partie Pour en savoir plus sur la description et la gestion du système [Doc. BE 8 595] dans laquelle il trouvera :
-
des programmes de recherches ;
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des organismes ;
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des fabricants.
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HAUT DE PAGESAULNIER (J.B.) - La modélisation thermique et ses applications aux transferts couplés et au contrôle actif. - Thèse de doctorat, université de Poitiers (1980).
GLISES (R.) - HISSEL (D.) - HAREL (F.) - PERA (M.C.) - New design of a PEM Fuel Cell air automatic climate control unit. - Journal of Power Sources, 150, 78-85 (2005).
NGUYEN (T.V.) - WHITE (R.E.) - A water and heat management model for proton exchange membrane fuel cells. - Journal of Electrochemical Society, 140, no 8, 2178-2186 (1993).
BERNARDI (D.M.) - VERBRUGGE (M.W.) - Mathematical model of a gas diffusion electrode bonded to a polymer electrolyte. - AIChE Journal, 37, no 8, 1151-1163 (1991).
FULLER (T.F.) - NEWMAN (J.) - Water and thermal management in solid-polymer-electrolyte fuel cells. - Journal of Electrochemical Society, 140, no 5, 1218-1225 (1993).
WANG (T.) - SAVINELL...
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