Gestion de l'eau dans une pemfc

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E.Résultats

Nous allons présenter les profils de concentration de O₂, de température, de la fraction liquide (en diphasique), pressions totales. Les courants et tensions sont tracés à l’interface 3.

Les consommations et les variations ne sont pas exactement celles du modèle Matlab, mais elles sont cohérentes avec la physique. La différence peut provenir d’un maillage plus fin dans FEMLAB que sous Matlab.
Pour ce qui est du mode PDE en monophasique, en simulant les modèles séparément : Maxwell-Stefan+Darcy, Thermique, électrochimique, il n’y a aucun problème, le logiciel converge et les résultats reflètent les phénomènes physiques.
Lorsque l’on couple la totalité des phénomènes le logiciel ne converge pas, après plusieurs tests de couplage 2 à 2 il s’avère que le modèle de diffusion ne converge pas avec le modèle thermique. En revanche si l’on couple tous les modèles sauf le thermique et que l’on impose des températures variant de 353 à 354, il n’y a aucun problème le logiciel converge.
Résultats obtenus :

Diffusion de O₂ [kg/m³] Température [K]

Tension [V] Densité de courant sur la face 3 [A/m²]

Pression [Pa]

En passant par les modèles prédéfinis : Les modèles construits sont Maxwell-Stefan, Darcy, Conduction, Transfert Thermique.

La simulation de tous les modèles couplés converge et les résultats obtenus sont quasiment identiques à la méthode précédente.

Diffusion de O₂ [kg/m^3] Température [K]

Tension [V] Densité de courant sur la face 3 [A/m²]

Pression [Pa]

Pour ce qui est du mode PDE en diphasique, il y a exactement le même problème qu’avec le mode PDE en monophasique, la simulation du modèle thermique couplé avec le modèle de Maxwell-Stefan ne converge pas.

Deux tests ont été effectués, l’un en couplant tous les modèles sauf le thermique et en imposant des températures allant de 353 K à 354 K, cela n’a posé aucun problème, les simulations ont convergé. L’autre en remplaçant le modèle thermique PDE par un modèle thermique prédéfini, la simulation ne converge pas.

Diffusion de O₂ [kg/m^3]Température [T]

Tension [V] Densité de courant sur la face 3 [A/m²]

Fraction liquide [sans dimension] Pression de la phase gaz [Pa]

[Volume occupé par le liquide/Volume total]

Suivant le couplage effectué sur FEMLAB, j’obtiens des résultats assez surprenants qui font varier la variable de quelques millièmes à quelques dixièmes….

(voir tableau plus bas)
Physiquement les phénomènes de diffusion sont corrects étant donné que l’oxygène, partant du canal, plus il diffuse dans la GDL, vers la zone active, moins il est présent.
La température ne varie quasiment pas dans la GDL, conformément aux prédictions du modèle Matlab. On reste quasiment à la température imposée au niveau de la dent de 353K. On peut noter que la température la « plus élevée » se situe au niveau de la zone active sous le canal.
La tension varie très peu mais donne un gradient tout à fait cohérent, à savoir qu’il y a une source de courant qui se situe au niveau de la zone active et un puit qui se situe au niveau de la dent. Tout le passage du courant induit une variation de tension de quelques milliVolts.
En ce qui concerne l’intensité, on peut vérifier rapidement que la quantité absorbée par la dent, la zone active le produit donc le bilan est correct.

Affichage des modèles convergent, non convergent et de résultats sur les deux pages suivantes

Problèmes rencontrés et assistance

FEMLAB est un logiciel commercial dont l’interface graphique est soignée et lisible.

1.Documentation : pas du tout pédagogique

L’aide en ligne de FEMLAB, ne m’a été d’aucune utilité, car elle est très mal rédigée. (remarque faite aussi par le support technique)

2.Résolution

En ce qui concerne le débuggeur :

Aucune indication n’est donnée sur l’algorithme de résolution et le débuggage d’un modèle est très difficile quand le solveur ne converge pas.

Pour ce qui est des résultats intermédiaires :

Le mode PDE permet de rentrer le modèle sous forme d’équation mais nous ne savons pas du tout comment résout il résout les équations. Ainsi lorsque nous lançons des calculs, et que nous obtenons des résultats cohérents ou non, nous n’avons aucun moyen de vérifier quoi que se soit.

3.Assistance Technique

Pour la majorité des problèmes rencontrés, en utilisant le mode PDE, le support technique vous demande d’utiliser les modèles pré-existants car cela résout les problèmes. Or dans notre cas cela a aggravé les problèmes et sans qu’aucune solution soit trouvée. Puis après des semaines d’attentes et d’envois de modèles simplifiés, un responsable m’a appelé en me disant qu’en fait FEMLAB était incapable de résoudre une condition aux limites avec une dérivée ou un logarithme. Il m’a donc conseillé de simplifier l’expression que j’avais entrée !!

De plus lorsqu’il y a une erreur de convergence, il est impossible de savoir à quel endroit du code il y a un problème. Les messages d’erreurs sont incompréhensibles et il faut se débrouiller pour trouver l’erreur. Le service technique se contente de réponses que l’on ne peut écrire dans un rapport.

F.Conclusion sur l’utilisation de FEMLAB

En ayant utilisé ce logiciel pendant quelques mois et en ayant discuté avec d’autres utilisateurs, ce logiciel semble performant mais il manque de maturité. On peut voir cela tant au niveau de l’aide à la compréhension de son fonctionnement qu’au niveau du débuggeur.

Il manque la possibilité de résoudre les équations en mode pas à pas afin d’accéder à des résultats intermédiaires sans attendre la fin pour se rendre compte qu’il ne converge pas ou que le résultat n’est pas satisfaisant.

D’après les dernières informations de la part du support technique, cette partie est en cours d’amélioration

Sur des systèmes « simples » (la plupart des cas rencontrés), il s’avère très facile d’utilisation même si la géométrie est complexe (en particulier grâce aux exemples traités par COMSOL). Ceci est un réel avantage. Au lieu de construire et de valider un modèle en quelques jours il est très facile de réduire ce temps à quelques heures voir quelques minutes en connaissant le logiciel, ce qui permet de traiter plus de phénomènes « simples » ou encore de tester des géométries très différentes. En revanche le logiciel a beaucoup de problèmes lorsque la géométrie est simple mais que les équations que vous entrez sont un peu compliquées. Si vous intégrez, par exemple, des dérivées dans les conditions aux limites FEMLAB ne peut résoudre les équations ainsi que sur certains types de couplages.

V.ConclusionS et PerspectiveS

Après avoir passé six mois sur un même projet, il me semble qu’il est important de signaler qu’il n’y a pas les mêmes obligations que devant une copie à rendre à la fin d’heure. Il ne s’agit pas de trouver le bon résultat à tout prix mais de trouver des résultats, de discuter de ceux-ci, de les présenter à ses collègues, de les critiquer. J’ai pu me rendre compte aussi que dans une entreprise, il est important d’avoir une bonne communication pour permettre de travailler dans de bonnes conditions.

J’ai pu remarquer aussi que toutes demandes, par exemple une demande d’achat ou de déménagement de matériel, il ne suffit pas de le faire soi-même, il faut remplir des documents administratifs, les faire signer ce qui prend beaucoup de temps ou si en plus chaque signataire est en vacance ou en déplacement. Mais c’est une habitude à prendre : anticiper les besoins.
Je trouve que cela a été une très bonne expérience professionnelle et personnelle à la fois, tant sur le point du travail que des informations. Cela m’a permis de me rendre compte à la fois du plaisir de faire de la recherche mais aussi des contraintes que cela représente, simplement par le fait que l’on espère retrouver des résultats déjà observés et du temps que l’on va passer sur le problème.

On est constamment obligé des faire plusieurs essais afin d’évaluer la reproductibilité et la validité des résultats.

De plus contrairement à ce que l’on apprends à l’université, les domaines scientifiques (physique, chimie, mathématiques, informatique…) ne sont pas cloisonnés et que l’intérêt de travailler dans la recherche est que l’on rencontre facilement beaucoup de gens de compétences très variées.
A l’avenir, je souhaiterais pouvoir travailler dans ce type de recherche technologique tournée vers les applications industrielles. J’aimerais aussi travailler sur des bancs d’essais et prototyper pour pouvoir valider ce qui a été simulé. Et pourquoi pas dans un tout autre domaine que celui des piles à combustible, le génie mécanique.

VI.Analyse critique de la formation à l’IUP

Chaque élève a des attentes différentes même si l’on est dans la même formation. Pour ma part quand je pensais que l’appellation « système thermique » ne voulait dire que moteur et turbine. Or ce n’est pas tout, le chaud et le froid concernent un univers de systèmes très variés, que ce soient des systèmes qui « refroidissent » ou perdent de l’énergie, qui chauffent ou gagnent de l‘énergie ou encore qui transportent l’énergie. On peut citer comme exemple les centrales de traitement d’air, les machines frigorifiques, les échangeurs de chaleurs, aérothermes, etc.

Ma culture générale en a été enrichie. En revanche au niveau des moteurs et turbines, j’ai trouvé que la formation avait peu de points communs avec les autres formations. J’ai pu comparer avec un élève-ingénieur d’INSA de Lyon, en stage avec moi, qui a suivi le même style formation (Génie énergétique et environnement) : il a eut plus de cours dans ces deux domaines.

Bien sur, il est difficile de demander à un établissement comme l’IUP de satisfaire toutes les attentes. C’est pour cela que ma poursuite d’étude se dirige plus vers la conception mécanique.

VII.Résume du stage/training abstract

Résumé du stage en Français
Le but du stage au CEA de Grenoble est d’implémenter un modèle dynamique bidimensionnel de couche de diffusion gazeuse d’une pile a combustible à membrane échangeuse de protons (basse température) sur FEMLAB. Le modèle prend en compte des phénomènes de diffusion et convection d’espèces (monophasique et diphasique), de transfert de chaleur et de collection de courant. Les conditions aux limites sont données par une loi de réponse électrochimique reliant la tension à l’interface aux conditions locales de pressions, composition, température et courant. Le modèle a déjà été écrit sur Matlab/Simulink mais le portage sous Femlab permettrait de traiter des géométries plus complexes avec des maillages plus fins.

Pour réaliser cette modélisation il est utile d’assimiler les phénomènes en jeu dans la pile à combustible afin d’avoir un regard critique sur les résultats de calculs.

Le développement du modèle est mené de façon modulaire. Cela consiste à simuler tout d’abord les phénomènes séparés pour valider les modèles élémentaires, puis à procéder aux couplages. Le transport d’espèces sera dans un premier temps traité dans le cas monophasique, avant d’être complété par les équations permettant de représenter les écoulements diphasiques.

Training Abstract in English
The purpose of my internship at the CEA of Grenoble is to implement a two-dimensional dynamic model of the Gas Diffusion Layer in a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (low temperature) with “FEMLAB”. The model takes into account species diffusion and convection phenomena (one-phase and two-phase), heat transfer and current collect. An electrochemical response law sets the boundary conditions which links interfacial voltage to local pressure, composition, temperature and current conditions. The model has already been written on Matlab/Simulink but the conversion to Femlab would enable more complex geometries with thinner meshes.

This simulation requires an understanding of the phenomena involved in fuel cells in order to critically evaluate the calculations.

The development of the model is proceeded in distinct steps. In a first approach, the phenomena were simulated separately to validate the elementary models, then coupled phenomena were taken into account. First, the species transport is studied in the one-phase case before it the two-phase equations are added.

VIII.Abréviations et Nomenclature

A.Abréviations

CEA : Commissariat à l’Energie Atomique

DRT : Direction de la Recherche Technologique

LITEN : Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et des Nanomatériaux

DSEN : Département des Systèmes pour les Energies Nouvelles

SGPAC : Service des Générateurs et Pile A Combustible

LPAC : Laboratoire des Piles A Combustible

GDL : Gas Diffusion Layer (couche de diffusion gazeuse)

PEM ou PEMFC ou PEFC : Proton Exchange Membrane Fuel Cell (pile a combustible à membrane échangeuse de proton

PDE : Partial Differential Equation (équation aux dérivées partielles)

[équations réduites] : veut dire qu’il y a un document en annexe avec des équations réduites

B.Nomenclature

DifftO₂_H₂O, DifftN₂_O₂, DifftH₂O_N DifftO₂_H₂O : respectivement coefficient de diffusion ternaire entre O₂ et H₂O, entre N₂et O₂, entre O₂ et H₂O

DiffbH₂O_O₂, DiffbH₂O_N₂, DiffbO₂_N₂: respectivement coefficient de diffusion binaire entre O₂ et H₂O, entre H₂O et N₂, entre O₂ et N₂

xO2 : fraction molaire de O2 (par rapport à la phase gazeuse)

O_2,H₂O,N_2,H₂O_liq, g : respectivement masse volumique de l’oxygène, de l’eau vapeur, de l’azote, de l’eau liquide, de la phase gaz.

T : Température dans la GDL

P_O2, P_H2O, P_N2;Pg, Pl : respectivement pression partielle d’oxygène, d’eau en phase vapeur, d’azote, de la phase gaz et liquide

f : fraction liquide

MO₂, MN₂, MH₂O : respectivement masse molaire de l’oxygène, d’azote et d’eau

u : tension dans la GDL

I : courant total

J : densité de courant sur la face 3 (zone active)

xO₂, xN₂, xH₂O, respectivement fraction molaire de l’oxygène, de l’azote et de l’eau

= viscosité dynamique des gaz

: tension de surface

: résistivité électrique dans le plan de la GDL

Krl et Krg : perméabilités relatives du liquide et du gaz respectivement

IX.Bibliographies

[1] Pascal SCHOTT, Pierre BAURENS : Modèle bidimensionnel d’une couche de diffusion de PEFC. [Présentation GDR PAC décembre 2004]

[2] P. Schott, A. Memponteil, J. Pauchet : Modélisation des PEMFC. Etat de l’art au LPAC et SE2T. [Rapport, en cours de finition]
[3] Jean-Philippe POIROT-CROUVEZIER : Modélisation dynamique des phénomènes hydrauliques, thermiques et électriques dans un groupe électrogène, à pile à combustible destine à l’application automobile. [thèse INPG, année 2000]
[4] Site Internet et Intranet du CEA de Grenoble
[5] le site Internet http://www.annso.freesurf.fr/