Etude et simulation de la gestion d'eau dans la zone cathodique d'une pile à combustible de type PEMFC

Abstract

The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is the largest used cell, but the correct water management is crucial for the optimum working. In order to analyse water behaviour within the cell, a transient mono-phase mathematical model is presented. The model accounts for gas mixture flow and species transport within the gas diffusion layer (GDL) in cathode side. The model concerns a given two-dimensional geometry where the governing differential equations are solved. The computational domain includes a gas diffusion layer, and a thin catalyst layer which is taken as an interface. The gas diffusion layer is a porous media which is characterized with a homogeneous morphological structure. This numerical model is developed to simulate the transport operation in the cathode that is supplied with parallel (conventional) gas channel. The effective diffusivities according to the Bruggman correlation and Darcy’s law for porous media are used instead of motion equation for the gas diffusion layer. In addition, the Fik equation is used to describe the oxygen reduction reaction (ORR) on the catalyst layer surface. The conservation equations for the gas diffusion layer are treated with finite volume method and solved numerically using an elaborate FORTRAN programme. The nature of the multidimensional transport in the cathode side of the cells is illustrated by the gas mixture velocity and species molar fractions. The obtained results are in qualitative agreement with recent experiments reported in the literature. A complement study performed with the model is presented and illustrates how fuel cell behaviour varies due to changes in parameters associated with the species transport and geometric structure.

La pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est la pile la plus utilisée, mais elle nécessite une bonne gestion d’eau pour son fonctionnement optimal. Dans le but d’analyser le comportement d’eau dans la pile, un modèle mathématique pour un écoulement monophasique transitoire bidimensionnel est présenté. Le modèle comporte l’écoulement de mélange des gaz et le transport des espèces dans la couche de diffusion des gaz (GDL) dans la zone cathodique. La modélisation est effectuée pour une géométrie bidimensionnelle donnée où les équations différentielles sont résolues. Le domaine de calcul englobe la couche de diffusion des gaz et la couche catalyseur qui est de très faible épaisseur et elle est considérée comme une interface. La couche de diffusion est un milieu poreux caractérisé par une structure morphologique homogène. Ce modèle numérique est développé pour la simulation de l’opération de transport dans une cathode alimentée par un canal des gaz de type parallèle (conventionnel). La diffusivité effective est calculée à l’aide de la corrélation de Bruggman et l’équation de quantité de mouvement est remplacée par la loi de Darcy dans le milieu poreux de la couche de diffusion des gaz. En plus l’équation de Fik est utilisée pour décrire la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) sur la surface de la couche catalyseur. Les équations de conservations sont discrétisées à l’aide de la méthode des volumes finis et la solution numérique est calculée par un programme conçu avec le langage FORTRAN. La nature multidimensionnelle de transport dans le site cathodique dans la pile est illustrée à l’aide de la vitesse de mélange des gaz et les fractions molaires des espèces. Les résultats obtenus sont en bonne concordance avec les plus récentes expériences reportés dans la littérature. Une étude complémentaire est faite sur le modèle montrant la variation du comportement de la pile en fonction de changement des paramètres reliés au transport des espèces et la structure géométrique.