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Analyse des transferts d'eau dans les micropiles à combustible

Gondrand, Cécile (2006) Analyse des transferts d'eau dans les micropiles à combustible. (Analysis of water transfers in micro fuel cells.)

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Abstract

Une bonne gestion de l'eau est nécessaire au fonctionnement optimal d'une micropile à combustible. La caractérisation morphologique (épaisseur, distribution de taille des pores) et hydraulique (mouillabilité, perméabilité avec ou sans collecteur électronique) de la cathode poreuse, siège de la réaction de production d'eau, a été effectuée. Afin d'analyser le comportement de l'eau dans la pile, des expériences d'absorption (de neutrons et de rayons X) et de diffusion de rayons X aux petits angles ont été réalisées. La distribution de l'eau dans le volume reste difficilement détectable mais les analyses montrent que la production n'est pas homogène. La mouillabilité de la surface de la cathode a été modifiée : un dépôt hydrophobe retarde le noyage, et permet d'améliorer les performances dans la plupart des cas de fonctionnement. Un modèle d'écoulements diphasique transitoire dans la cathode poreuse, avec des conditions aux limites couplées à un modèle de croissance de gouttes a été développé et résolu à l'aide de Comsol et Matlab. Il nous a permis de faire des études de sensibilité et de montrer que les propriétés diphasiques influencent peu l'écoulement alors que l'épaisseur joue un rôle fondamental. Ce modèle reproduit les grandes tendances de fonctionnement de la pile, à savoir l'influence notable de l'intensité sur l'élévation de température ainsi que de l'influence de l'humidité relative et de la mouillabilité de surface sur le noyage. ABSTRACT : A correct water management is crucial for the optimum working of a micro fuel cell. Structure characterization (thickness, pore size distribution) and hydraulic characterization (wettability, permeability with or without the current collector) of the porous cathode has been carried out. In order to analyse water behaviour within the cell, absorption (X-rays and neutrons) and SAXS experiments have been done. Water detection within the volume remains a difficult challenge, but the analysis showed that water production is heterogeneous. The wettability of the cathode's surface has been modified : a hydrophobic deposit delays the flooding of the cell and improves the performance in most cases. A model of two phase and transient flow in the porous cathode, with the boundary conditions coupled with a droplet model has been developed and solved with Comsol and Matlab. We were able to carry out sensitivity studies, which pointed out that two-phase properties do not influence the flows very much, contrarily to thickness. The model reproduces the working tendencies of the cell, that is to say the notable influence of the intensity on the temperature elevation as well as the influence of the relative humidity and the surface wettability on the flooding.

Department:Laboratoire d'Essais et Validations - LEV (Grenoble, France)
Directeur de thèse:Prat, Marc
Uncontrolled Keywords:Pile à combustible - Détection de l'eau - Écoulements - Milieu poreux. - KEYWORDS : Fuel cell - Water detection - Flow, Porous media
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Hydraulics > Energetics and transfers
Deposited On:27 March 2007

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