Soutenance mémoire
Préparation des électrodes et des MEA
Approche du modèle numérique
Afin d’améliorer les performances de la pile à combustible de type PEM tout en utilisant une faible quantité de platine (pt) dans l’électrode cathodique, nous avons développé un modèle mathématique permettant de décrire les phénomènes de transport à ayant lieu au niveau de la cathode et ceci pour différentes structures de couches développées. Dans cette partie, nous mettons en évidence l’étude numérique des trois configurations de la cathode correspondant respectivement à une couche, deux couches et trois couches de Pt. Le modèle mathématique est résolu en 2-D afin de prendre en compte des phénomènes physiques ayant lieu sur l’axe perpendiculaire à la membrane de la pile et leurs distributions en surface. Les résultats issus de la résolution numérique de ce modèle mathématique nous permettront ainsi une bonne compréhension du fonctionnement interne de la pile (effets physiques) et son optimisation dépendamment des de conditions de fonctionnement imposées.
La constitution du modèle passe par une décomposition de la pile en ses différents éléments. Les dimensions des différentes couches sont représentées dans la figure 2.1.
Le domaine de modélisation à une couche est composé d’une couche de diffusion des gaz (GDL), d’une couche microporeuse (MPL) et d’une couche de carbone-Nafion (CN) contenant du platine à sa surface. Les domaines de modélisation de deux et trois couches sont composés des mêmes éléments précédents mais contiennent respectivement deux couches et trois couches alternées de CN et de platine, comme l’explique la figure 2.1. (a)-(c)). La différence entre ces trois domaines étant le nombre de couches de CN+Pt.
Hypothèses
La modélisation des phénomènes physiques ayant lieu au rnveau de l’électrode cathodiquenécessite la connaissance d’un très grand nombre de paramètres tels que les propriétés Odes matériaux utilisés et des gaz entrants dans la pile, ainsi que leurs variations en fonction du temps et de l’espace. Par conséquent, un certain nombre d’hypothèses doit être adopté pour résoudre le ‘modèle mathématique dans un temps raisonnable sans trop perdre d’information sur les phénomènes physiques ayant lieu au cours du fonctionnement de la pile. Ainsi, le modèle mathématique sera résolu en supposant que:
a. les phénomènes de transfert ont lieu dans un régime stationnaire,
b. les fluides sont incompressibles et leurs propriétés physiques sont constantes (viscosité, masse volumique, tension de surface, etc),
c. les phénomènes thermiques sont négligeables à cause des dimensions très petites.
d. le modèle d’interface réactionnelle peut être utilisé puisque les couches de réaction sont extrêmement minces. Nous supposons une continuité à l’interface entre chaque domaine,
e. Le mélange de gaz est supposé idéal.
Couches de diffusion
Description de la couche de diffusion
Considérée comme un milieu poreux, la couche de diffusion dans la PEMFC est la zone intermédiaire entre le canal et la couche de réaction. D’une épaisseur comprise dans la gamme de 100 à 500 /lm, sa structure fibreuse est généralement hydrophobe pour faciliter l’évacuation de l’eau liquide produite [1], [2]. Elle assure la diffusion des réactifs vers les sites de réaction, le transport de l’eau soit vers la membrane pour son hydratation, soit des sites de réaction vers le canal pour réduire les phénomènes de noy~ge. En outre, elle permet également l’évacuation de la chaleur, produite vers le milieu extérieur et le déplacement des électrons vers le collecteur ou vers les sites de réaction. Sa caractérisation physique a fait l’objet de nombreuses études afin d’optimiser ses propriétés physiques pour une bonne circulation des gaz, de l’eau liquide, des électrons et de la chaleur [1-4]. Généralement, elle est en tissu de carbone ou en fibre de carbone. La figure 2.2 présente des images de ces deux types de GDL obtenues à partir du microscope électronique à balayage (SEM).
Description de la MPL
La MPL est une structure poreuse composée essentiellement de poudre noire de carbone et d’un agent hydrophobique, généralement du polytétrafluoroéthylene (PTFE).
Elle a pour rôle d’accroître l’utilisation du catalyseur en facilitant l’évacuation de l’eau produite à la cathode et à l’anode afin d’éviter au mieux les phénomènes de noyage. En outre, elle permet de réduire la résistance de contact entre la couche de catalyseur et le substrat macroporeux de carbone par formation d’une couche plane et uniforme qui n’est pas perméable aux particules du catalyseur. En somme, la MPL améliore la gestion de l’eau dans l’assemblage membrane-électrodes (MEA) et donc la performance globale de la PEMFC. Dans le cadre de notre étude, la MPL a une dimension de 25 /lm pour respecter la caractéristique expérimentale (Voir figure 2.1. (a)-(c)).
Description de la couche active
Lieu de réaction d’oxydoréduction, la couche active dans cette nouvelle électrode a une structure constituée de 1’alternance de couches CN+Pt pour la configuration à une seule couche, CN+Pt+CN+Pt pour celle à deux couches et finalement CN+Pt+CN+Pt+CN+Pt pour celle à trois couches comme le montre la figure 2.3, afin de lui conférer une grande surface active et une bonne diffusion des espèce. Le platine de la couche active n’est pas aggloméré au carbone. La couche garde les mêmes fonctions que celles des couches actives conventionnelles : transport des réactifs, des protons, des électrons, de l’eau et de la chaleur. Les caractéristiques géométriques des trois couches actives considérées dans cette étude sont données dans la figure 2.l. (a)-(c). La couche active conventionnelle est une couche composite complexe de l’ordre de 10 !J.m d’épaisseur, composée généralement d’ionomères et de particules de platine fixées sur du
carbone formant des structures d’agglomérats nanoporeux entourés de micropores (1-1 !J.m) [4]. Les figures 2.3 et 2.4 ci-dessous nous montre des images comparatives des deux types de couches actives.
Équations des modèles et conditions aux limites
Propriétés des milieux poreux .
La description des propriétés physiques des gaz et de l’eau liquide passe nécessairement par la connaissance de certaines propriétés du milieu poreux qu’ils traversent telles que sa porosité, sa perméabilité et sa conductivité. La fraction volumique d’un milieu poreux est notée Ev tandis que la fraction volumique du matériau conducteur estes. La relation entre ces deux phases s’écrit comme suite: Pour une structure poreuse comme la couche active (CA), il faut tenir compte de la fraction volumique de l’ionomèreEN • Elle représente le volume de couche catalytique occupé par l’électrolyte polymère qui est généralement du Nafion
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Table des matières
1. Introduction générale.
1.1. Contexte et motivation
1.2. Revue de littérature
1.3. Synthèse et objectif de la thèse
Références du chapitre 1
2. Étude théorique
2.1. Approche du modèle numérique
2.2. Hypothèses
2.3. Couches de diffusion
2.3.1. Description de la couche de diffusion
2.3.2. Description de la MPL
2.3.3. Description de la couche active
2.4. Équations des modèles et conditions aux limites
2.4.1. Propriétés des milieux poreux
2.4.2. Équations des modèles et conditions aux limites
2.4.2.1. Densité de courant
2.4.2.2. L’équation de conservation des espèces
2.4.2.3. Équation de Darcy
2.4.2.4. Équation de la saturation
2.4.2.5. Équation de conservation de charge
2.4.2.6.Paramètres initiaux et conditions aux limites
Références du chapitre
3. Protocole expérimental
3.1. Préparation des électrodes et des MEA
3.1.1. Électrodes standards
3.1.2. Électrodes obtenues par dépôt sous vide
3.1.3. Membrane de la pile de type PEM
3.2. Description des dispositifs de test
Références du chapitre 3
4. Présentation des articles
Article 1
Article 2
Article3
Article 4
5. Conclusion et perspective
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