Écoulements diphasiques dans les milieux poreux

Abstract

Cette étude porte sur la modélisation de la gestion de l’eau et de la chaleur d’une cellule unitaire de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sous des conditions d'inondation partielle de la cathode. Un modèle bidimensionnelle basé sur des lois de conservation et des équations électrochimiques est adopté. Le modèle mathématique permet de mettre en lumière des impactes des paramètres de fonctionnement sur le comportement de la PEMFC. Nous avons constaté que les paramètres de fonctionnement ont des effets importantes sur les caractéristiques de transport de l’eau et les performances de la cellule à combustible de type PEM. Les résultats obtenus montrent aussi que le transport d’eau par diffusion de la cathode vers l’anode est insuffisant pour maintenir la membrane hydratée pour des hautes densités de courant. Par conséquent, les gaz dans le coté anode doivent être humidifiés. Le modèle établi a été validé par comparaison avec des résultats antérieurs. Afin d’aboutir à une densité de puissance élevée de la cellule et une prolongation de sa durée de vie, les paramètres opératoires de la PEMFC ont aussi été optimisés. Dans un premier temps, l’objectif était d’obtenir les meilleures performances en terme de densité de puissance. Le problème est formulé comme étant un problème mono-objectif où l’Optimisation par Essaim Particulaire (OEP), ou Particle Swarm Optimization (PSO) en anglais a été adoptée. Par la suite, nous nous sommes intéressés a optimisé les paramètres de fonctionnement de la cellule PEM pour obtenir les meilleures performances en termes de densité de puissance et une prolongation de la durée de vie de la cellule. Le problème est traité comme étant un problème multi-objectifs. L’algorithme Non-dominated Sorting Genetic Algorithme II (NSGA-II) a été utilisé. Nous avons ainsi pu déterminer des solutions de compromis au vu des deux objectifs de puissance et durée de vie. D’autre part et afin d’analyser le problème de condensation au niveau de la couche poreuse cathodique, les profils de saturation en eau liquide ont été obtenus. Les résultats montrent que la présence d’eau liquide entraîne une augmentation de la résistance de diffusion entraînant la limitation de la diffusion de l’oxygène vers les sites actifs de la couche catalytique.