plaques bipolaires d'une PEMFC : Journée SFT -12 mai 2005 ... · gaz inconnue et différente selon...
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Distribution des gaz dans les
plaques bipolaires d'une PEMFC :
études expérimentales etsimulations numériques
Pierre-Marie Liberatore*, Mathieu Boillot*, Caroline Bonnet*, Sophie Didierjean**
et François Lapicque*
* Laboratoire des Sciences du Génie Chimique
** Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée
Institut National Polytechnique de Lorraine,NANCY
Journée SFT -12 mai 2005
Thermique et phénomènes de
transport dans les piles à combustible
2Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Plan
• Intérêt de la distribution des temps de séjour (DTS)
• Détermination expérimentale de la DTS sur différentes plaques
• Simulations numériques et comparaison
3Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Introduction
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
Plaques de distribution de gazassemblage
membrane électrodes
plaque de distribution de
gaz
circuit de distribution
• distribution des gaz sur la surface active
• évacuation de la chaleur produite
• conduction électrique
4Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Introduction
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Distribution des réactifs sur la surface active par les plaques
• Performances de la pile liées à la concentration en réactifs
Importance de l’hydrodynamique des gaz
dans les plaques de distribution
5Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Distribution de temps de séjour
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Pourquoi ?-> Hydrodynamique dans les plaques de distribution de gaz inconnue et différente selon le constructeur
-> Plus rapide que la mécanique des fluides numérique
• Principe
– approche systémique de la circulation du fluide
– détermination expérimentale de la DTS
– construction de modèles représentatifs (arrangement de réacteurs idéaux tels que parfaitement agité ou piston) facilement utilisables par les ingénieurs
6Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
• Temps de séjour
Distribution de temps de séjour
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Méthode des traceurs• molécules « marquées », mais de mêmes propriétés
hydrodynamiques que le fluide• application d’un signal d’entrée à l’aide du traceur
• analyse de la réponse en sortie
analyseur analyseur
injection de traceur
temps total qu’a passé M dans le réacteur
7Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Réponse à une injection impulsion
DTS des réacteurs idéaux
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
Possibilité d’utiliser un signal d’entrée quelconque
• Réacteur piston = retard pur
• Mélangeur parfait = exponentielle décroissante
• Réacteur quelconque = réponse intermédiaire
E S
E S
8Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Exemple de la résistance ohmique
Utilisation des modèles
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Modèle utilisé
Q
On considère une plaque d’hydrodynamique équivalente à 4 mélangeurs en cascade :
• résistance ohmique de la pile localisée dans la membrane électrolyte
• résistivité fortement dépendante de la quantité d’eau dans la membrane
• prévision des humidités relatives des gaz aux interfaces avec la membrane à partir des modèles
issus de la DTS
9Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Utilisation des modèles
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Représentation de la pile
• Hypothèses– chaque couple de mélangeurs (A/C) correspond à ¼de pile (surface, intensité)
– transfert d’eau régi par un coefficient de partage global α déterminé expérimentalement
Cathode
Anode
Entrée Sortie
Echange d'eau
I / 4αααα
I / 4αααα
I / 4αααα
I / 4αααα
10Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Utilisation des modèles
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Évolution des concentrations
0%
20%
40%
60%
80%
100%
E S1 S2 S3 S4
Hum
idité
rel
ativ
e ga
z ou
% e
au li
quid
e
0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,2
Fra
ctio
n m
olai
re O
20%
20%
40%
60%
80%
100%
E S1 S2 S3 S4
Hum
idité
rel
ativ
e ga
z
0,79
0,81
0,83
0,85
0,87
0,89
Fra
ctio
n m
olai
re H
2
cathode
anode
Alimentation en air, 72% HR,
stoechiométrie 3
Alimentation en H2, 94% HR,
stoechiométrie 3
Pile à 60°C, 160 mA.cm-2
α = -0,4
11Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Estimation résistance ohmique
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
En négligeant la diffusion des gaz :
xH2O,C xH2O,A
membrane
isotherme de sorption=> contenus en eau λC, λA
¼ pile
conductivité du Nafionen fonction de λ(z)
résistance ohmique de la pile
Résistance calculée : 0,50 Ω.cm2
Résistance mesurée : 0,53 Ω.cm2
12Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Détermination expérimentale
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale
de la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Montage
• Deux types de plaques
DEBIT METRE
OZONEUR REACTEURO2
vanne trois voies
boucle d'échantillonnage
détecteur entrée
détecteur sortie
U.V. U.V.
E
S S
E
serpentin colonne
5 cm 5 cm
13Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Détermination expérimentale
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale
de la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Volumes mis en jeu
• DTS sur le circuit de distribution
Volumes en mL
Raccords d'entrée et sortie, système
de détection
Canaux d'entrée et sortie dans les
plaques
Circuit de distribution sur la surface active
Total
Plaque serpentin 2,34 1,33 1,47 5,14
Plaque colonne 2,34 3,34 4,32 10,00
Volume du système d’alimentation non négligeable !
Fonction de transfert de l’ensemble
GE.GS déterminé expérimentalement
GP déduite des mesures globales
Utilisation du logiciel DTSPRO v4.2
U(s)GE(s)
Y(s)GP(s) GS(s)
sortieplaqueentrée
14Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Plaque « Colonne »
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale
de la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Modèle équivalent
• Exemples pour les débits extrêmes
QCascade de 4
mélangeurs
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0 20 40 60 80t /s
Sig
nal n
orm
é /u
.a.
InletOutletModel
V = 0,37 cm 3.s-1
EntréeSortieModèle
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3t /s
Sig
nal n
orm
é /u
.a. Inlet
OutletModel
V = 12,3 cm 3.s-1
EntréeSortieModèle
15Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Plaque « Serpentin »
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale
de la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Modèle équivalent
• Exemples pour les débits extrêmes
Réacteur Piston
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0 20 40 60 80 100t /s
Sig
nal n
orm
é /u
.a.
InletOutlet
Model
V = 0,19 cm 3.s-1
EntréeSortieModèle
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
t /s
Sig
nal n
orm
é /u
.a.
Inlet
Outlet
Model
V = 9,33 cm 3.s-1
EntréeSortieModèle
16Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Simulations numériques
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Modélisation de l’hydrodynamique-> Logiciel Femlab (éléments finis)
-> Représentations en 2D et 3D
-> Informations locales sur l’hydrodynamique
-> Possibilité de coupler différents phénomènes (écoulement des gaz, transfert de chaleur…)
• Travail effectué– Hydrodynamique dans la plaque « serpentin »,en 2D et 3D, par Navier-Stokes
– DTS simulées par l’injection d’un traceur et suivi de l’évolution de la concentration en sortie
– comparaison des DTS expérimentales et simulées
17Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Simulation 2D
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
Champ de vitesse m.s-1
Débit : 2,82 cm3.s-1
Fluide stagnant
Zone de
mélange
SORTIE
ENTREE
18Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
DTS simulées
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
Réponses à une impulsion (Dirac)
0
20
40
60
80
100
120
0 0,2 0,4 0,6Temps /s
Sig
nal n
orm
é /u
.a.
EntréeSimulationPiston
DTS simulée par Femlab éloignée du modèle de piston déduit des expériences
19Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
DTS simulées
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
Modification du modèle de réacteurs
-> Canaux parallèles = Piston
-> Zones de mélange = Mélangeur
20Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
DTS simulées
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
Réponses à une impulsion (Dirac)
Modèle Piston+Mélangeur plus proche des DTS simulées
0
5
10
15
20
25
0 0,2 0,4 0,6Temps /s
Sig
nal n
orm
é /u
.a.
EntréeSimulationModèle Modifié
21Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Simulation 3D
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
Champ de vitessem.s-1
Débit : 0,94 cm3.s-1
zones aux extrémités des canaux à la fois mélangeurs et volumes morts
22Mathieu Boillot et al.- Journée SFT 12 mai 2005
Distribution Distribution
des gaz dans des gaz dans
les plaques les plaques
bipolairesbipolaires
Conclusion
• Introduction
• Distribution
temps de séjour
• Détermination
expérimentale de
la DTS
• Simulations
numériques
• Conclusion
• Distribution des temps de séjour-> méthode rapide et pratique, construction de modèles simples (par ex. calcul de résistance ohmique)
-> détermination expérimentale compliquée par le faible volume du circuit de distribution
-> obtention de réacteurs idéaux par les expériences
• Simulations numériques-> hydrodynamique locale
-> possibilité de simuler des expériences de DTS
-> DTS simulée et expérimentale assez éloignées
-> présence de zones de mélange et volumes morts dans la plaque « serpentin »
-> perspectives : étude de la plaque « colonne », simulation de DTS en 3D