Modélisation de Pile à Combustible à Membrane de Polymère en 3D
Jean-François Coursange
17681831
RÉSUMÉ

L'objectif initial du travail de recherche exposé dans ce mémoire était la simulation d'une pile à combustible à membrane de polymère (PEMFC) de géométrie cylindrique. L'avantage principal de ce design est le remplacement des canaux de distribution inhérents à la géométrie planaire par des plaques perforées. Ceci permet aux gaz un meilleur accès aux surfaces catalytiques. En plus de quantifier les avantages de la pile cylindrique, le modèle peut se révéler utile lors de sa conception. La simulation est basée sur l'approche par volumes finis. Des termes sources sont introduits pour tenir compte des réactions électrochimiques ayant lieu dans la pile. La viabilité de cette approche pour la simulation de PEMFC a été démontrée par Dutta et al..[1]. Il s'agissait initialement d'adapter simplement le modèle qui y était développé à la géométrie cylindrique. Toutefois, certains aspects de leur modèle et des autres sur lesquel il est basé se sont révélés nébuleux. [2] [3].Ces points faibles concernent principalement le transport de l'eau dans la membrane, modélisé par la diffusion et la poussée électroosmotique. Même si ces mécanismes sont réellement ceux qui dominent le transport de l'eau dans la membrane, leur détermination expérimentale varie considérablement d'une source à une autre. Privé de critères de sélection rigoureux, le développement des modèles de PEMFC se fait un peu à l'aveuglette. Nous avons donc utilisé dans un premier temps le modèle pour évaluer les différents coefficients expérimentaux de transport de l'eau. Ceci s'est fait en confrontant le flux net d'eau à travers la membrane prédit avec celui déterminé expérimentalement par Janssen et Overvelde.[4] Nous avons par la suite introduit le noyage de la cathode dans le modèle. Une étude préliminaire a indiqué l'importance de modéliser le transport de l'eau dans les deux phases à l'intérieur des canaux de distribution. Ceci requérait une révision importante du modèle, dépassant le cadre de cette maîtrise. L'étude comparative a finalement permis au modèle à une phase de révéler les avantages la géométrie cylindrique par rapport à la géométrie planaire pour les PEMFC.

18 novembre 2003