Un empilement de pile à combustible se compose de centaines de cellules en série. Comme le courant les traverse toutes, la cellule la moins performante limite tout l'empilement — et c'est généralement celle que le réactif atteint le moins.
Un problème de distribution à deux échelles
Échelle de l'empilement. La distribution depuis le collecteur principal d'alimentation vers les cellules. Si la pression chute le long du collecteur, les cellules en bout sont sous-alimentées. Que la section du collecteur soit assez grande par rapport aux canaux de cellule est donc critique.
Échelle de la cellule. La distribution à l'intérieur du dessin de canaux d'une plaque. Dans des canaux en parallèle, une accumulation d'eau peut boucher certains canaux et détourner l'écoulement vers d'autres ; un motif en serpentin l'évite mais présente une forte perte de charge. Les motifs intermédiaires (interdigités) forcent l'écoulement à traverser la couche de diffusion des gaz.
Les deux sont des problèmes de distribution classiques.
La gestion de l'eau est la question centrale
Dans les piles à membrane échangeuse de protons, la membrane doit rester humide pour conduire ; mais si trop d'eau est produite à la cathode, elle bouche les pores (noyage) et empêche le réactif d'atteindre le catalyseur.
L'objectif n'est donc pas de sécher mais de rester dans une bande d'humidité étroite, et cette bande varie avec la densité de courant, la température et la position. Un canal peut être sec alors que son voisin est noyé.
Le transport de l'eau se fait dans les couches poreuses, et les propriétés des milieux poreux (porosité, perméabilité, mouillabilité) fixent directement le résultat.
Le côté thermique
Une part du rendement se transforme en chaleur, et la température de la membrane doit être tenue dans une bande étroite. Les canaux de refroidissement sont dans la plaque, et la distribution de température devrait être égale aussi d'une cellule à l'autre. Le problème est conjugué.
En modélisation, l'écoulement, le transport des espèces, la phase aqueuse et la chaleur sont résolus ensemble ; ne regarder que la distribution de l'écoulement donne une image incomplète.
Références
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605