Activites de recherche et formation doctorale

4.2 : Le module de puissance de FEVER

Le projet FEVER [7] était basé sur l’utilisation d’une pile à combustible de type PEM (Proton Exchange Membrane), fournie par la société DE NORA, et d’un réservoir d’hydrogène liquide (conçu par la société AIR LIQUIDE) permettant de stocker les 8 kg nécessaires pour effectuer les 500 km prévus par le projet. Le véhicule test était une LAGUNA BREAK, dont l’habitabilité fut largement réduite pour pouvoir transporter un vrai laboratoire roulant.

Figure 37 : 2 images de la LAGUNA BREAK du projet FEVER équipée de piles à combustible et d’un réservoir d’hydrogène
La conception du module de puissance du véhicule FEVER était à la charge d’une équipe de ANSALDO, le FRAMATOME italien, qui avait l’habitude de travailler avec des piles de la Société DE NORA, notre fournisseur dans le projet.
Très rapidement, nous avons décidé, avec notre partenaire RENAULT, de superviser la conception du module de puissance, notamment dans la gestion des transitoires (démarrage du module de puissance avec de l’hydrogène liquide arrivant, à froid, dans certains composants de l’alimentation de la pile).
En modélisant l’ensemble des composants du module de puissance dans notre environnement logiciel (solveur algébro différentiel tel que décrit au chapitre 1), nous avons pu rapidement constater des risques de gel dans certains échangeurs, et proposé des architectures alternatives moins dangereuses.
Le logiciel a aussi permis de simuler, en régime dynamique, le comportement de l’ensemble du module de puissance sollicité par le véhicule au cours de cycle de roulage normalisés. A tout instant, nous connaissions l’état du stock, les différentes températures des différents composants, les taux d’humidités dans les membranes, la puissance disponible aux roues… et pouvions calculer l’autonomie du véhicule en fonction du parcours envisagé [8].
Cela nous a aussi aidé, pendant le projet, à définir l’intérêt relatif de diverses solutions, notamment celle qui était basée sur une turbine installée en sortie de pile pour récupérer une partie de l’énergie contenue dans le circuit d’air sous pression. Nous en avons conclu que la présence de la turbine de récupération permettait d’augmenter l’efficacité du système de 5 %, au prix d’une complexité largement accrue.

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