Activites de recherche et formation doctorale

4.3 : La gestion de l’eau dans les piles à combustible [P3, T8]

Dans une pile de type PEM, les membranes doivent être hydratées pour permettre le transfert d’ions H+ de l’anode vers la cathode. L’air et l’hydrogène doivent donc être saturés à l’entrée de la pile. De plus, il y a production d’eau à la cathode, et l’eau liquide doit être évacuée pour éviter de noyer la pile, se qui pourrait entraîner de graves désagréments. Connaître en tout point des circuits l’humidité est donc un enjeu majeur pour la bonne gestion d’une pile de type PEM.

J’ai donc supervisé, dans le cadre d’une thèse, une étude théorique et expérimentale pour améliorer la conception géométrique des collecteurs d’eau liquide en bas de chaque cellule de la pile.
Nous avons donc développé un simulateur des écoulements dans les cellules de la pile, basé sur l’utilisation du code commercial de Mécanique des Fluides FLUENT. Celui-ci utilise une méthode de volumes de fluide, qui semblait la meilleure approche pour nos écoulements diphasiques et tridimensionnels.
Dans un premier temps, nous nous sommes contentés de ne traiter le problème que pour un seul fluide, l’air. Cela nous a permis de comparer diverses conceptions géométriques du joint du bas des cellules, qui assure à la fois l’évacuation des fluides et l’étanchéité. Les premiers résultats furent analysés en partenariat avec nos collègues de DE NORA.
Puis, nous avons essayé de comprendre les phénomènes de mélange entre les 2 phases présentes dans le compartiment cathodique : l’air et l’eau. Les difficultés numériques rencontrées étaient liées à la complexité de la géométrie, et la grande différence de densité entre les 2 phases. De plus, nous avions à faire un compromis entre l’échelle macroscopique (équation des moments) et l’échelle microscopique (évolution de l’interface).
Dans chaque maille de la grille représentant notre volume d’étude, nous avons considéré une fonction F, égale à 1 en tout point occupé par l’eau, et à 0 en tout point occupé par l’air. Nous avons obtenu des résultats très intéressants, mais les temps de calcul étaient prohibitifs.


Figure 38 : calculs en diphasique dans 2 zones de la cellule
Cependant, nous avons pu démontrer que le mélange des 2 fluides avait un comportement hydrodynamique très proche de celui d’un fluide monophasique. Cela nous a donc permis de tester plus facilement diverses conceptions de géométries de cellules.
En parallèle de ce travail numérique, nous avons conçu, construit et instrumenté une maquette transparente, permettant d’observer visuellement les écoulements diphasiques, et de tester différentes conceptions de collecteur d’eau de bas de cellules.


Figure 39 : Schéma de la maquette de visualisation des écoulements
Nous avons ainsi pu comparer les résultats de nos simulations numériques avec des écoulements réels, et la figure suivante prouve le bon accord entre les deux approches.


Figure 40 : comparaison calculs – expérience pour les écoulements d’eau