Transferts couplés masse-charge-chaleur dans une cellule de pile à combustible à membrane polymère

Mass-charge-heat coupled transfers in a single cell of a proton exchange membrane fuel cell

• Auteur / Autrice : Julien Ramousse
• Direction : Denis Maillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Transfert de charge

Transfert de masse

Piles à combustible

Résumé

La compréhension et la description des phénomènes couplés de transport de masse, de charge et de chaleur dans le cœur de pile sont primordiales pour l'analyse du comportement électrique du système. Le modèle présenté ici a pour objectif de décrire les performances électriques d'une pile PEMFC en fonction des conditions fluidiques et thermiques de fonctionnement. L'hydratation de la membrane et la répartition de l'eau dans la cellule sont estimées à l'aide de simulations couplées du transport de matière dans l'épaisseur de la cellule et dans les canaux d'alimentation internes aux plaques bipolaires. Un modèle microscopique de type Gas Diffusion Electrode a été mis en place pour décrire les phénomènes de transfert de charges aux électrodes. Complétée par l'étude du transfert de chaleur dans le cœur de pile, cette modélisation permet notamment de distinguer les conditions et les sites préférentiels de condensation de la vapeur d'eau. Une campagne de mesures de la conductivité thermique effective des feutres de carbone utilisés en pile en tant que diffuseur poreux a également été réalisée. La valeur de ce paramètre, bien qu'essentielle pour l'étude des transferts thermiques, est encore source de discussions du fait de la forte anisotropie thermique du milieu.

Understanding and modelling of coupled mass, charges and heat transfers phenomena are fundamental to analyse the electrical behaviour of the system. The aim of the present model is to describe electrical performances of a PEFMC according to the fluidic and thermal operating conditions. The water content of the membrane and the water distribution in the single cell are estimated according to the coupled simulations of mass transport in the thickness of the single cell and in the feeding channels of the bipolar plates. A microscopic model of a Gas Diffusion Electrode is built up to describe charges transfer phenomena occurring at the electrodes. Completed by a study of heat transfer in the Membrane Electrode Assembly, conditions and preferential sites of water vapour condensation can be highlighted. A set of measurements of the effective thermal conductivity of carbon felts used in fuel cells as porous backing layers have also been performed. Although the value of this parameter is essential for the study of heat transfer, it is still under investigation because of the strong thermal anisotropy of the medium.