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Theses

Simulation Numérique Couplée des Phénomènes Thermo- fluide,Electrochimique et Mécanique dans une Pile à Combustible type PEMFC

Résumé : L’étude et l’analyse des performances d’une pile à combustible de type PEMFC (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell) exige une modélisation couplée des phénomènes qui se déroule pendant son fonctionnement : Transport et le transfert des réactifs, réactions électrochimiques, transfert de chaleur, et contraintes mécaniques. Dans cette thèse nous avons développé un modèle couplé qui prend en considération tous les phénomènes physicochimiques qui se produisent dans le coeur de la pile. Pour cela, nous avons développé un modèle global qui comporte les trois sous-modèles : le sous-modèle Thermo-Fluide, le sous-modèle Electrochimique et le sous-modèle Mécanique. En effet, le premier sous-modèle représente le transport de masse et le transfert de la chaleur dans les différentes parties de la cellule (canaux, couches de diffusion des gaz, et membrane). Le second représente le processus des réactions d’oxydoréduction des réactifs dans les électrodes et matérialise les différentes chutes de tension électriques. Le troisième concerne le comportement mécanique de la membrane dû à des déformations élasto-plastiques et hygrothermique. Les phénomènes que nous avons étudiés sont représentés par une formulation théorique et notre résolution a été effectuée par le logiciel COMSOL MULTIPHYSIC. Nous avons pu coupler les trois sous-modèles mathématiques par un algorithme mettant en oeuvre l’interaction des paramètres physiques, électrochimiques et mécaniques au sein de la cellule. Les résultats de notre simulation, qui représente une modélisation couplée, ont été validés par des résultats expérimentaux de la littérature et ont montrée une amélioration des solutions par rapport aux résultats de la modélisation séquentielle. Les résultats ont montré qu’avec une densité de courant fixée à 3000A/m2 la tension électrique s’est améliorée de 3% lorsque la température a été augmentée de 60°C à 120 °C. Également, pour la même densité de courant, la tension électrique s’est améliorée de 10% lorsque la pression a été augmentée de 1 à 3 atm. Ceci est dut à la diffusion facile des gaz au niveau de l'interface électrode/électrolyte lorsqu’on augmente la pression ce qui entraine une concentration des réactifs à la réaction chimique. Les résultats ont montré aussi que la réduction de l’épaisseur de la membrane de 175 à 75 μm a permis une augmentation de tension de 11% pour une densité de courant 3000A/m2. Aussi, nous avons constaté que la meilleure performance de la pile est obtenue lorsque l’humidité relative (RH) est située entre 60 % et 80%, en effet, les résultats ont montré que pour une tension de 0.7V, une augmentation significative de la densité de courant de 2800 A/m2 à 3200 A/m2 est obtenue lorsque la HR a été augmenté de 40% à 80%. Nous avons aussi constaté que l’augmentation du couple de serrage augmente les contraintes mécaniques dans la cellule ce qui provoque une réduction de la porosité des milieux poreux et par conséquence la difficulté de diffusion des gaz. Les simulations effectuées nous ont permis d’identifier les paramètres optimaux de fonctionnement de la pile étudiée et qui sont : une température de fonctionnement de 80°C, une pression des gaz de 2 atm, une épaisseur de la membrane de 75 μm, une conductivité de 15m/s, une porosité de couche de diffusion 0.6 et une humidité relative entre 60% et 80%.
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Contributor : Mohammed Jourdani <>
Submitted on : Friday, July 26, 2019 - 10:59:30 AM
Last modification on : Thursday, March 5, 2020 - 3:31:04 PM

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Thèse JOURDANI -Simulation nu...
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  • HAL Id : tel-02194893, version 1

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Mohammed Jourdani. Simulation Numérique Couplée des Phénomènes Thermo- fluide,Electrochimique et Mécanique dans une Pile à Combustible type PEMFC. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Mohammed V - Rabat, 2019. Français. ⟨tel-02194893⟩

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