Selectivity of Porous Composite Materials for Multispecies mixtures : Application to Fuel Cells

par Hussain Najmi

Thèse de doctorat en Énergétique - Génie des procédés

Sous la direction de Nicolas Gascoin et de Khaled Chetehouna.

Soutenue le 07-02-2018

à Bourges, INSA Centre Val de Loire , dans le cadre de École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire) , en partenariat avec Institut Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-) (laboratoire) et de Laboratoire pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes- mécanique et énergétique / PRISME (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Sélectivité des matériaux composites poreux pour mélanges multi-espèces : application aux piles à combustible


  • Résumé

    L'utilisation de pile à combustible à bord d'un avion impose d'extraire des espèces légères (telles que l'hydrogène et les hydrocarbures légers) du combustible liquide qui est stocké et utilisé, éventuellement à des températures où se produit une pyrolyse du carburant. La porosité d’un matériau composite pourrait être utilisée pour filtrer les espèces sélectionnées. L'efficacité de séparation d’un matériau poreux dépend de deux facteurs qui sont: la perméance et la sélectivité.Ces facteurs sont souvent déterminés avec une configuration classique utilisant un échantillon en forme d’un disque d’un matériau poreux. Cependant, cette configuration est loin de la réalité qui est composée de tubes. Par conséquent, une étude est réalisée en considérant les deux configurations en utilisant différents types de disques poreux et un tube composite poreux. Ensuite, les résultats obtenus sont comparés et les différents facteurs affectant le processus de perméation sont étudiés.Après cela, un banc d'essai innovant est développé et utilisé afin de déterminer la distribution axiale des deux propriétés d'un tube poreux en acier inoxydable (c'est-à-dire la perméance et la sélectivité). Les effets des conditions opératoires (débit massique d'entrée et pression d'entrée) ont été étudiés. Une nouvelle forme radiale de l'équation de perméabilité aux gaz a été développée pour ce travail et sa relation avec la perméabilité de Darcy est établie. La variation de pression le long de l'axe central du tube est déterminée. Les effets de cette variation de pression sur les propriétés physiques des gaz tels que la densité et la viscosité sont déterminés et leur influence sur la sélectivité est étudiée en utilisant différents gaz tels que l'azote, le dioxyde de carbone, le méthane et l'hélium.Plus tard, un mélange binaire de dioxyde de carbone (CO2) et d'Azote (N2) est considéré sous trois compositions volumétriques différentes (50/50%, 60/40% et 70/30%) afin d'évaluer la propriété de séparation de gaz d’un tube poreux (effet de membrane). La perméabilité au gaz pur, la perméabilité du mélange, la sélectivité idéale et la sélectivité de séparation de ce tube sont déterminées pour un débit massique et une pression d'entrée différents. Les facteurs affectant les distributions de CO2 et de N2 à l'intérieur du tube poreux sont étudiés.Les résultats obtenus peuvent être utiles pour comprendre les facteurs affectant la séparation des gaz dans le cas d'un tube poreux pour des processus industriels continus.


  • Résumé

    Using Fuel Cell on board of aircraft imposes to extract light species (such as Hydrogen and light hydrocarbons) from the liquid fuel which is stored and used, possibly at temperatures where a fuel pyrolysis occurs. Porosity of a composite material could be used to filtrate the selected species. The separation efficiency of a porous material depends upon two factors which are: Permeance and Selectivity.These factors are often determined with a classical configuration using a porous disk sample. However, this configuration is far from the realistic one consisting of tubes. Therefore, a study is performed considering both configurations using different types of porous disks and a porous composite tube. Then, the obtained results are compared and the different factors affecting the permeation process are studied.After that, an innovative permselectivity test bench is developed and used in order to determine the axial distribution of the two properties of a stainless steel porous tube (i.e. permeance and selectivity). The effects of the operating conditions (inlet mass flowrate and inlet pressure) have been studied. A new radial form of the gas permeability equation has been developed for this work and its relationship with Darcy‘s permeability is established. The pressure variation along the centre axis of the tube is determined. The effects of this pressure variation on the physical properties of gases such as density and viscosity are determined and their influence on the selectivity is studied using different gases such as Nitrogen, Carbon dioxide, Methane, and Helium. Later, a binary mixture of Carbon Dioxide (CO2) and of Nitrogen (N2) is considered under three different volumetric compositions (50/50%, 60/40% and 70/30%) in order to evaluate the separation property of the porous stainless steel tube (membrane effect). The pure gas permeability, the mixture permeability, the ideal selectivity and the separation selectivity of this tube are determined for a different mass flowrate and inlet pressure. The factors affecting the distributions of CO2 and N2 inside the porous tube are investigated. The obtained results can be useful to understand the factors affecting gas separation in case of a porous tube for continuous industrial processes


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par INSA Centre Val de Loire [diffusion/distribution] à Bourges

Selectivity of Porous Composite Materials for Multispecies mixtures : Application to Fuel Cells


Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées Centre Val de Loire - Campus de Bourges. Bibliothèque.
  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées Centre Val de Loire - Campus de Blois. Bibliothèque.
  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées Centre Val de Loire - Campus de Blois. Département École de la nature et du paysage. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.

Consulter en bibliothèque

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par INSA Centre Val de Loire [diffusion/distribution] à Bourges

Informations

  • Sous le titre : Selectivity of Porous Composite Materials for Multispecies mixtures : Application to Fuel Cells
  • Détails : 1 vol. (270 p.)
La version de soutenance de cette thèse existe aussi sous forme papier. Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.