Présentation CEA Stage de fin de 3 e Année d’IUP

1. Présentation CEAStage de fin de 3e Année d’IUP Modélisation d’une GDL d’une PEMFC Implémentation sous FEMLAB François-Xavier LEDIEU IUP GSI option GST – 64000 Pau Encadré par Pascal Schott LITEN/DSEN/SGPAC/LPAC  Commissariat à l’Énergie Atomique 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble

2. Modèle bidimensionnel d’une GDL Sommaire • Présentation du problème : Pile, Géométrie, conditions aux frontières, variables; • La description des transports : matière, chaleur, électricité; • Implantation sous FEMLAB; • Quelques résultats de simulations : cas monophasique, cas diphasique; • Conclusions : limites du modèle, limites et utilisation du logiciel François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

3. Modèle bidimensionnel d’une GDL Sommaire • Présentation du problème - Qu’est-ce qu’une pile • Géométrie • Conditions aux limites • Variables • La description des transports • Implantation sous FEMLAB • Quelques résultats de simulations • Conclusions François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

4. Q’est-ce qu’une pile à combustible • Une pile à combustible (ou stack) est constituée de cellules élémentaires contenant: • Deux GDLs • Une cathode • Une électrolyte (membrane) • Une anode • De collecteur de courant (dent) François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

5. Types de piles et Applications François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

6. Types d’utilisations • Les diverses utilisations des piles vont : • Des appareils mobiles tels les téléphones portables • Jusqu’aux applications industrielles/militaires telles la cogénération ou les sous-marins • En passant pour les transports en commun comme les bus ou les voitures François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

7. Présentation du problème François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

8. Présentation du problème François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

9. Réponse électrochimique • fonction U(I,T,PO2) • consommation O2 • production H2O et chaleur Pas d’échange latéral Pas d’échange latéral • pression • température • composition des gaz (XO2, Xvap) • densité de courant • température Les conditions aux frontières François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

10. Les principales hypothèses • Conditions aux limites homogènes pour la dent et le canal; • Pas de différence entre deux canaux voisins; • Fonctionnement homogène de l’anode et de la membrane; François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

11. Les variables du problème • Réponse électrochimique • fonction U(I,T,PO2) • consommation O2 • production H2O et chaleur • Transport de matière : O2, N2, H2Ovap, H2Oliq •  profils de concentration dans la GDL • Transport de chaleur • Transport d’électrons François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

12. Modèle bidimensionnel d’une GDL Sommaire • Présentation du problème • La description des transports • Chaleur • Matière • Électrique • Implantation sous FEMLAB • Quelques résultats de simulations • Conclusions François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

13. Les transports • Diffusion en phase gaz : équations de Stefan-Maxwell • Convection gaz et liquide : équations de Darcy • Bilan de masse • Calcul de la conduction thermique dans la GDL • Aux frontières : • continuité de température avec la dent; • coefficient d’échange convectif avec le canal. • Calcul de la conduction dans la GDL François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

14. Le transport d’électrons • Calcul de la conduction dans la GDL • Aux frontières : • réponse électrochimique à la zone active; • continuité de potentiel avec la dent; • uniformité du potentiel dans la dent. François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

15. Modèle bidimensionnel d’une GDL Sommaire • Présentation du problème • La description des transports • Implantation sous FEMLAB - Mode PDE - Mode Prédéfinis - Mode Équations de base • Quelques résultats de simulations • Conclusions François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

16. Modèle numérique • Maillage par défaut avec FEMLAB : triangulaire; • Maillage carré possible, il suffit de scinder la pièce en parties rectangulaires ou carrées; François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

17. En monophasique : traitement de 5 équations à 5 inconnues; En diphasique : passage de 12 équations à 12 inconnues à un système 5 équations à 5 inconnues pour faciliter la modélisation; Dans les modèles électrochimiques, le Rm*I a été enlevé, ce qui a permis l’inversement suivant : Actuellement tout les couplages non fonctionnent pas Implantation des Équations sous FEMLAB François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

18. Modèle bidimensionnel d’une GDL Sommaire • Présentation du problème • La description des transports • Implantation sous FEMLAB • Quelques résultats de simulations • Cas monophasique • Cas diphasique • Densité de courant • Conclusions François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

19. Résultats de simulations Cas monophasique Matlab FEMLAB Fractions de l’oxygène Chute de 2-3 dixièmes François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

20. Résultats de simulations Cas diphasique Matlab FEMLAB Fractions de l’oxygène Gradients sont d’environ 4 centièmes des deux cotés François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

21. Cas diphasique (HR 100%) Densité de courant Cas monophasique (HR 50%)  la présence d’eau liquide accentue la différence entre le canal et la dent François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

22. Densité de courant  Même conclusion sur la présence de l’eau François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

23. Modèle bidimensionnel d’une GDL Sommaire • Présentation du problème La description des transports • Implantation sous FEMLAB • Quelques résultats de simulation • Conclusions François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

24. Conclusions Les simulations réalisées montrent que : • Les gradients de température pour un fonctionnement typique PEFC sont de l’ordre du degré; • La collecte du courant ne semble pas être un problème (perte de potentiel de l’ordre du mV); • L’eau liquide s’accumule de façon prioritaire sous la dent et modifie la répartition de la densité de courant. • Résultats en accord avec la modélisation sous Matlab François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

25. Conclusions aux limites du modèle : • Les lois de transport de l’eau liquide restent à valider (calcul de la pression capillaire, légitimité d’un modèle homogène…). • La loi électrochimique n’est qu’une formule approchée et aux limites et utilisation du logiciel : • Conditions aux limites avec dérivées • Couplage de phénomènes • utilisation optimale du logiciel : • Géométrie complexe pour phénomènes « simples » François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

26. Merci pour votre écoute François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

27. Annexes François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

28. Résultats de simulations Gradients de Températures Chute de l’ordre du degré François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

29. Eau liquide Fraction liquide François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

30. Le transport de matière • Diffusion en phase gaz : équations de Stefan-Maxwell • Convection gaz et liquide : équations de Darcy • Bilan de masse François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

31. Le transport de chaleur • Calcul de la conduction dans la GDL • Aux frontières : • continuité de température avec la dent; • coefficient d’échange convectif avec le canal. François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

32. Pile et plaque bipolaire François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

33. Principaux paramètres : l_canal = 2e-3/2; % 1/2 largeur canal l_dent = 1e-3/2; % 1/2 largeur dent ep_zd = 280e-6; % Épaisseur électrode (hors écrasement) ep_dent = 50e-6; % Écrasement de l'électrode Rp = 1e-6; % Rayon des pores por = 0.78; % Porosité de la GDL non écrasée sigma = 6.2e-3; % Tension de surface theta = 115; % Angle de contact rho_zd_x_ne = 5.6e-5; % Résistivité électrique dans le plan de la GDL non écrasée (ohm.m) rho_zd_y_ne = 80e-5; % Résistivité électrique perpendiculaire de la GDL non écrasée (ohm.m) lamda_zd_x_ne = 23; % Conductivité thermique dans le plan de la GDL non écrasée (W/m/K) lamda_zd_y_ne = 1.7; % Conductivité thermique perpendiculaire de la GDL non écrasée (W/m/K) h_canal = 100; % Coefficient d'échange thermique GDL/canal (W/m2/K) R_m = 10e-6; % Résistance de la membrane (ohm.m2) • Conditions des simulations : • température : 80°C • pression : 1.5 bar • densité de courant : 1 A/cm2 François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

34. Résultats de simulations Échelle : 1.393 kg.m-3 Échelle : 0.285 à 0.309 kg.m-3 Échelle : 353 à 354 K Échelle : 0.700 à 0.703V François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC

35. Résultats de simulations Échelle : 0 à 8.5e-3 Échelle : 1.5 à 1.503e5 Pa Échelle : -4.691e4 à -4.644e4 Pa Échelle : 1.966e5 à 1.927e5 Pa François-Xavier Ledieu - stage de fin de 3e année d'IUP au Cea de Grenoble au LPAC