[Soutenance de thèse] Nima Abbaspour : "Approche numérique et expérimentale des écoulements au sein des piles à combustible: innovations liées aux conditions aux limites", 16/07/2020, UMR EMMAH

Discipline

Mécanique

Laboratoire

UMR 1114 EMMAH - Environnement Méditerranéen et Modélisation des AgroHydrosystèmes

Direction

Marie-Christine NEEL
Philippe BELTRAME

Composition du jury de soutenance

Philippe BELTRAME, MCF
Mohammed EL GANAOUI, PR
Mohammad J. KERMANI, PR
Gilles MICOLAU, PR
Marie-Christine NÉEL, PR
Volker P. SCHULZ; PR

Résumé de la thèse

La présente thèse fait partie d’un projet destiné  à améliorer l’efficacité et la stabilité des piles à combustible à membrane à échange de protons. Elle présente des expériences et des simulations visant à faire évoluer en ce sens la géométrie  de canaux véhiculant des fluides à travers les plaques bipolaires à l’anode et à la cathode. En effet, l’électricité produite dépend en particulier d’écoulements diphasiques couplés  avec divers phénomènes physiques et très impactés par les forces interfaciales sur les surfaces solides qui les limitent. Nous avons utilisé des codes industriels ainsi que la méthode des réseaux de Boltzmann pour simuler les systèmes complexes en jeu.

Le chapitre 1 rappelle le principe de base des piles à combustible ainsi que le rôle des fluides s’écoulant dans les canaux des plaques bipolaires.  En partant de piles standard, nous jetons les bases des modifications étudiées ici.

Le chapitre 2 détaille un modèle  classique du fonctionnement des piles à combustible en régime stationnaire, supposant des écoulements monophasiques dans les canaux. Une expérience réalisée sur une unique  pile de ce type valide la formulation mathématique du modèle ainsi que l’outil numérique  (COMSOL). La simulation met en évidence l’hétérogénéité des flux  dans les différents canaux, alors qu’on connait l’influence négative de cette hétérogénéité. Cependant le modèle utilisé ne tient pas compte de la possibilité d’avoir de l’eau en phase liquide (et pas uniquement gazeuse) dans les écoulements. 

Pour y remédier, le  chapitre 3 décrit un code LBM fondé sur le modèle du gradient de couleur pour les écoulements diphasiques. Ce code est validé à partir d’une expérience réalisée sur une jonction en T, un dispositif applicable bien au delà du contexte des piles à combustible.

Le chapitre 4 reste dans le cadre d’écoulements stationnaires gazeux dans des canaux parallèles, mais cependant différents de ceux de piles standard.  Un algorithme uniformise   automatiquement les écoulements des différents canaux  en  modifiant leur géométrie, dans certaines  limites cependant. Il fait pour cela varier des   paramètres comme le nombre de canaux et leurs largeurs. Les dispositifs répartissant ou collectant le fluide entre les différents canaux à l’entrée ou à la sortie  influencent aussi le résultat. Nous proposons des géométries uniformisant les écoulements des divers canaux. 

Le chapitre 5 décrit les déplacements dirigés et spontanés de gouttes d’eau sur des structures métalliques pourvues de canaux d’axes parallèles, mais dont la forme rappelle des nageoires: une expérience met en évidence une direction nettement privilégiée pour l’étalement des gouttes. Les simulations tri-dimensionnelles en  LBM et par la méthode du volume de fluide corroborent la tendance observée tout en révélant à plus petite échelle des détails qui échappent aux visualisations mises en oeuvre : l’effet des forces capillaires est clairement dominant, et s’exerce dans des régions bien précises du dispositif, alors que dans d’autres régions l’inertie est essentielle aussi.