Modlisation thermodynamique dune pile combustible avec le logiciel

Modélisation thermodynamique d’une pile à combustible avec le logiciel COMSOL (Projet en cours) Stage en cours de réalisation au CIDETEQ, au MEXIQUE Par Thomas Mazurié

Présentation du CIDETEQ Centre de recherche et développement technologique en électrochimie (LEPMI mexicain) fondé par le Dr Yunny Meas (ancien de l’ENSEEG) le 16 septembre 1991 Principaux domaines de compétences: Analyses physico-chimiques Procédés environnementaux (traitement d’effluents) Piles à combustibles 2

Introduction (1) Projet étude: global dans lequel s’intègre mon Conception d’une pile à combustible d’une puissance de 1 k. W, avec pour objectif final la commercialisation Avancement du projet: Achat des matériaux effectué, sauf pour les plaques bipolaires Taille de chaque cellule fixée à 15 cm*15 cm soit 225 cm² 3

Introduction (2) Objectifs de mon étude: Modéliser la production et distribution de chaleur à l’intérieur d’un stack Concevoir un système de refroidissement adapté aux dimensions du stack. Outils disponibles: Logiciel de modélisation COMSOL Accès à des données expérimentales et possibilité de tester le modèle sur un stack de 32 cm² 4

Fonctionnement de COMSOL (1) Utilisation: étapes préliminaires à effectuer Dessin de la partie à étudier en 2 D ou 3 D Choix des phénomènes physiques pris en compte Valeurs des paramètres caractéristiques différents éléments constituants la pile Choix des différentes limites, en fonction des conditions expérimentales imposées 5

Fonctionnement de COMSOL (2) Résolution: étapes effectuées par le logiciel Sépare la géométrie en différentes parties (maillage) Calcule les valeurs des variables, pour les mailles voisines des limites, en utilisant les équations du modèle choisie Calcule ainsi, de proche en proche, les valeurs des variables sur toute la géométrie et boucle jusqu’à ce qu’il y aie convergence 6

Fonctionnement de COMSOL (3) Bibliothèque de modèles fournie par le logiciel: Nombreux modèles concernant les piles à combustibles. Chaque partie de la pile est modélisée séparément. Cependant, peu de modèles incluent toutes les parties du stack et surtout aucun ne considère la problématique de la thermique 7

Différents modèles fournis (1) Modèlisations du circuit d’alimentation des gaz: “Fuel cell stack” ▪ Prend en compte uniquement les équations de Navier Stokes “Serpentine” ▪ Prend en compte en plus la diffusion des espèces dans la couche diffusive 8

Différents modèles fournis (2) Modèles de diffusion des espèces: “Maxwell-Stefan diffusion” ▪ Étudie la diffusion des trois espèces présentes à la cathode (O 2, N 2 et H 2 O) “Pourous free” ▪ Étudie le flux de gaz dans une couche poreuse acollée à un canal 9

Différents modèles fournis (3) Modèles plus complèts “fc cathode” (3 D) ▪ Étudie la diffusion des espèces, dans un milieu poreux, à la cathode, en tenant compte de la réaction “pemfc” (2 D) ▪ Modèle étudiant la plupart des phénomènes intervenant au sein de l’ensemble membrane -électrodes (MEA) 10

Mon travail (1) Étudier les différents modèles fournis par le logiciel pour les adapter aux conditions locales (taille de cellule, pressions imposées…) Compiler ces modèles ou en réécrire un nouveau prenant en compte en plus le problème de la thermique au sein de la pile 11

Mon travail (2) Tester le modèle sur un stack de 32 cm² et optimiser les valeurs des paramètres. Utiliser le modèle optimisé pour simuler la production de chaleur dans un stack de 225 cm² et concevoir un système de refroidissement. 12

Difficultés rencontrées Je ne parle pas très bien espagnol ! Les modèles fournis avec COMSOL sont très complexes, et difficiles à adapter sans en altérer le fonctionnement Les ressources requises par le logiciel rendent difficile la modélisation en 3 dimensions d’où la nécessité de coupler des modèles en 2 D 13

Conclusion (1) Pour ce qui est de la modélisation, ce n’est pas vraiment mon domaine de prédilection Cependant je trouve cela très intéressant de travailler (enfin) sur les piles à combustibles, si longuement étudiées et jamais manipulées ! J’apprécie d’autant plus ce travail qu’ici les compétences sont très variées et j’apprend beaucoup des « techniciens » en PAC. 14

Conclusion (2) Quoiqu’il en soit, je suis très heureux d’avoir pu venir au Mexique, la vie ici est très agréable ! Pour autant la semaine de travail fait 40 h et je n’ai pas tant que ça de temps libre, contrairement à ce qu’on aurait pu croire… …Cependant, la semaine du 17 au 23 est fériée, donc en ce moment, je suis en vacances ! 15

Salutations ! Bon stages à vous tous ! Et à bientôt ! 16