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Influence des conditions de mouillage sur les déplacements quasi-statiques eau-air et l'évaporation en milieux poreux modèles. Application à la gestion de l'eau dans les piles à combustibles de type PEMFC

Chapuis, Olivier (2006) Influence des conditions de mouillage sur les déplacements quasi-statiques eau-air et l'évaporation en milieux poreux modèles. Application à la gestion de l'eau dans les piles à combustibles de type PEMFC. (Wettability impact on water-air quasi-static displacements and evaporation within a model porous medium. Application to water management problem of proton exchange mass fuel cell.)

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Abstract

Cette étude est motivée par le problème de la gestion de l'eau des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Elle a pour objectif principal une étude expérimentale et le développement d'outils de simulation d'écoulements quasi-statiques eau-air avec ou sans changement de phase en milieu poreux modèles dans le but d'améliorer les connaissances, notamment en ce qui concerne l'effet de la mouillabilité du milieu poreux sur les lois d'invasion et les cinétiques de séchage. L'étude est effectuée pour deux types de milieux poreux modèles bidimensionnels : - Réseau carré de liens, chaque lien étant de section rectangulaire variable. - Réseau de cylindres (de façon à s'approcher de la structure des milieux fibreux généralement rencontrés dans les couches de diffusion des piles). Nous développons une modélisation de l'imbibition et du drainage quasi-statiques dans des milieux de mouillabilité homogène, soit hydrophobe (pour des gammes d'angle de contact comparables à ceux des milieux poreux rencontrés dans les PEMFC), soit hydrophile. Ensuite, nous montrons comment les règles d'imbibition et du drainage établies peuvent être utilisées pour modéliser l'évaporation lente dans de tels milieux par des approches de type réseau de pores. Des comparaisons entre le drainage et l'imbibition montrent une influence tout à fait significative de la mouillabilité sur la saturation à la percée, la percée étant atteinte beaucoup plus tôt dans le cas hydrophile. Cette influence est également très nette lorsqu'on compare les distributions des phases lors de l'évaporation ou les temps de séchage, le milieu hydrophile séchant plus rapidement que le milieu hydrophobe. Ces temps sont caractérisés à partir d'une étude statistique en fonction de la taille du réseau. Le cas de milieux de mouillabilité hétérogène comprenant une région hydrophobe et une région hydrophile est également considéré. L'implication des résultats sur la problématique de la gestion de l'eau dans les piles à combustibles est discutée. ABSTRACT : This study is motivated by the water management problem in PEM fuel cells (PEMFC). Experiments and numerical simulations of quasi-static air-water flows and evaporation in model porous media are developped in order to study the effect of wettability on fluid invasion patterns and evaporation kinetics. The study is performed for two diffrent types of 2D model porous media : - square network of bonds of rectangular cross section. - network of cylinders (considered as a model fibrous medium) Modelling of quasi-static imbibition and drainage is developped in model of uniform wettability, either hydrophilic or hydrophobic for contact angles similar to those expected in the gas diffusion layer of PEMFCs. Then, it is shown how the local invasion rules developed for the modelling of the drainage and imbibition processes can be used to model the evaporation process. Comparisons between drainage and imbibition show a strong influence of wettability on the saturation at breakthrough as well as on the drying times. The drying time is characterized as a function of network size from a statistical study. Media of heteregeneous wettability made of two layers, one hydrophobic, the other hydrophilic are also considered. In a last part, implications of the results on the water management problem in the gas diffusion layers (GDLs) of PEMFC are discussed.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Prat, Marc
Uncontrolled Keywords:Piles à combustibles - Milieu poreux - Modèles de réseau de pores - Mouillabilité - Déplacements quasi-statiques - Évaporation. KEYWORDS : Pemfc - Porous media - Pore network model - Wettability - Quasi-static displacements - Evaporation
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Hydraulics > Energetics and transfers
Deposited On:07 February 2008

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