Modélisation du transport de gaz à la cathode d’une pile à combustible avec COMSOL Multiphysics®

Mots-clés

Pile à combustible, couche de diffusion, serpentin, milieu poreux, cathode, pertes de charge, oxygène, diffusion, distribution de courant.
 

Contexte / Objectif

L’oxygène est souvent apporté à la cathode d’une pile à combustible par l’intermédiaire d’un circuit en serpentin. A partir de ce canal, le gaz passe à travers une couche de diffusion poreuse avant d’entrer en contact avec la cathode où il réagit pour former de l’eau. Le design du serpentin conditionne la bonne circulation du gaz, notamment les pertes de charges, et de manière indirecte le bon fonctionnement du système (rendement).

Par soucis de confidentialité, l’exemple présenté ici n’est pas tiré d’un cas client, mais inspiré d’un tutoriel COMSOL Multiphysics®. Cet exemple concerne la modélisation de la circulation du gaz dans un serpentin constitué de 3 canaux et dans la couche de diffusion sous-jacente. Les objectifs sont les suivants :

  • déterminer les pertes de charges dans le serpentin,
  • simuler la distribution du courant à la surface de la cathode,
  • calculer les concentrations en oxygène dans le système.

 

Géométrie des serpentins d’amenées de gaz cathodique

 

Réalisations de SIMTEC / Résultats

Les principales caractéristiques du modèle sont les suivantes :

  • L’écoulement du gaz est calculé par les équations de Darcy/Brinkman pour décrire les milieux poreux (couche de diffusion).
  • La diffusion de l’oxygène est appréhendée par les équations de Maxwell-Stefan, adaptées à la description des mouvements dans les mélanges de gaz.
  • Le courant à la surface de la cathode est décrit par une loi de cinétique électrochimique incluant l’activité de l’oxygène.

   

Les principaux résultats obtenus sont les suivants :

  • les pertes de charges augmentent quand on remonte le circuit de circulation du gaz.
  • Au fur et à mesure que le gaz circule dans les canaux, l’oxygène pénètre dans la couche de diffusion pour réagir à la cathode : sa concentration diminue progressivement.
  • La répartition du courant à la surface de la cathode est à l’image de la concentration en oxygène : la vitesse de réaction diminue quand l’oxygène se raréfie.

Le design des serpentins peut ainsi être optimisé afin de minimiser les pertes de charges et/ou uniformiser les vitesses de réactions de l’oxygène sur la surface cathodique. Le rendement final de la pile s’en trouvera nécessairement amélioré.