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RÉSUMÉ
La maîtrise de la température dans une cellule et dans un empilement de cellules est un gage de bon fonctionnement et d'augmentation de la durée de vie de la pile PEMFC. La cellule comportant des parties solides et des parties fluides, la modélisation doit donc prendre en compte ces deux ensembles et leurs interfaces. Les techniques mises en œuvre ne sont pas les mêmes, méthode nodale par exemple pour les parties solides et méthode aux différences finies pour les gaz. La modélisation d'une cellule doit évidemment être étendue à l'assemblage dans son ensemble. La modélisation thermique des piles à haute température SOFC est assez similaire.
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Controlling the temperature in a cell and in a cell stack ensures good operating and an increase in the life-span of the PEMFC fuel cell. As the cell has solid and fluid parts, the modeling must take into account these two parts and their interfaces. The implemented techniques vary; for instance, the nodal method is used for the solid parts and the finite difference method for gases. Evidently, the modeling of a cell must be extended to the whole assembly. The thermal modeling of the high-temperature SOFCs is rather similar.
Auteur(s)
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Denis CANDUSSO : Chargé de recherche à l'Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité (INRETS)
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Raynal GLISES : Maître de conférences HDR à l'université de Franche-Comté
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Daniel HISSEL : Professeur à l'université de Franche-Comté
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Jean-Marie KAUFFMANN : Professeur à l'université de Franche-Comté
-
Marie-Cécile PERA : Maître de conférences HDR à l'université de Franche-Comté
INTRODUCTION
Les piles à combustible PEMFC et SOFC font l'objet de deux articles : description et gestion du système Piles à combustible PEMFC et SOFC- Description et gestion du système[BE 8 595] et transferts de chaleur et de masse [BE 8 596].
Dans ce second article, nous nous focaliserons sur la modélisation thermique des piles PEMFC (« proton exchange membrane fuel cell ») et SOFC (« solid oxide fuel cell »). La maîtrise de la température au sein d'une cellule et plus généralement d'un empilement de cellules (« stack ») est un gage de bon fonctionnement et d'augmentation de la durée de vie de la pile. Par son principe de fonctionnement, la cellule comporte des parties solides (électrodes et membrane) et des parties fluides (gaz et système de refroidissement gazeux ou liquide). La modélisation doit donc prendre en compte ces deux ensembles et leurs interfaces. Les techniques mises en œuvre ne sont pas les mêmes, méthode nodale par exemple pour les parties solides et méthode aux différences finies pour les gaz.
Les réactions s'accompagnent de transferts de masse et de variations des espèces qui doivent être pris en compte pour traduire les phénomènes de manière satisfaisante. Il en va de même du transfert d'eau à travers les membranes et les diffuseurs. Le couplage entre les deux parties, méthode nodale et méthode aux différences finies, doit prendre en compte les sens de circulation des gaz ; on se trouve ainsi en présence de deux configurations principales, cocourant ou contre-courant. La modélisation d'une cellule doit évidemment être étendue à l'assemblage dans son ensemble. La modélisation thermique des piles à haute température SOFC relève de la même démarche. Nous n'en donnerons ici que les grandes lignes.
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Conclusion2. Application aux piles SOFC
La méthodologie exposée pour les PEMFC peut être transposée aux SOFC. L'exposé complet du modèle et des résultats dépasse le cadre de cet article mais quelques pistes peuvent être rapidement présentées. La modélisation des phénomènes de transport est plus aisée dans la mesure où les mouvements d'eau ne revêtent pas la même complexité pour deux raisons. Compte tenu des conditions de température, l'eau reste à l'état gazeux, les phénomènes d'évaporation/condensation n'apparaissent pas. En outre, l'eau ne migre pas d'une électrode à l'autre. Le couplage anode/cathode induit par ce lien n'existe pas.
Il n'y a pas de circuit de refroidissement interne de la pile comme dans le cas de la PEMFC. Il est indispensable de tenir compte de l'enceinte dans laquelle est placée la pile. La régulation thermique de la pile peut être envisagée de deux manières. Dans le cas d'un banc de caractérisation, la pile est le plus souvent placée dans un four, régulé en température par des corps chauffants. Une condition de Dirichlet fixant la température des parois internes du four peut alors être appliquée. Dans le cas d'un système, la pile est plongée dans une enceinte adiabatique, la chaleur dégagée par la pile en fonctionnement est une source nécessaire au maintien en température et le réglage du débit d'air et de sa température assure la régulation thermique. Dans ce cas, la condition limite est une condition de Neumann non homogène de l'enceinte.
Les sources de chaleur liées au fonctionnement de la pile s'écrivent de la même manière que dans le cas de la PEMFC [équations à ]. Il est à noter que les pertes de type ohmique liées aux résistances électroniques de l'anode et de la cathode et à la résistance ionique de l'électrolyte sont largement dominantes, compte tenu de la faiblesse des pertes d'activation.
Compte tenu de la température élevée, les conductances thermiques radiatives ne sont plus négligées.
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Application aux piles SOFC
ANNEXES
Le lecteur est invité à consulter la partie Pour en savoir plus sur la description et la gestion du système [Doc. BE 8 595] dans laquelle il trouvera :
-
des programmes de recherches ;
-
des organismes ;
-
des fabricants.
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HAUT DE PAGESAULNIER (J.B.) - La modélisation thermique et ses applications aux transferts couplés et au contrôle actif. - Thèse de doctorat, université de Poitiers (1980).
GLISES (R.) - HISSEL (D.) - HAREL (F.) - PERA (M.C.) - New design of a PEM Fuel Cell air automatic climate control unit. - Journal of Power Sources, 150, 78-85 (2005).
NGUYEN (T.V.) - WHITE (R.E.) - A water and heat management model for proton exchange membrane fuel cells. - Journal of Electrochemical Society, 140, no 8, 2178-2186 (1993).
BERNARDI (D.M.) - VERBRUGGE (M.W.) - Mathematical model of a gas diffusion electrode bonded to a polymer electrolyte. - AIChE Journal, 37, no 8, 1151-1163 (1991).
FULLER (T.F.) - NEWMAN (J.) - Water and thermal management in solid-polymer-electrolyte fuel cells. - Journal of Electrochemical Society, 140, no 5, 1218-1225 (1993).
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