Caractérisation, modélisation thermo fluide et électrochimique, simulation numérique et étude des performances des nouvelles piles à combustible types IP-SOFC ( Integrated-Planar Solid Oxide Fuel Cell )

Abstract

Les piles à combustible à électrolyte solide SOFC suscitent beaucoup d’espoir face aux enjeux énergétiques et environnementaux. Elles ont subit un important développement dans leur géométrie par l’introduction de la technologie modulaire par la société Rolls-Royce. Les performances de ces nouvelles piles IP-SOFC sont fortement influencées par l’écoulement de l’air et du combustible (CH4, H2, CO2….) dans leurs éléments poreux. Dans cette thèse nous présentons une modélisation physique des écoulements des gaz au sein de la pile et une modélisation électrochimique pour définir ses performances. Les phénomènes étudiés sont représentés avec une formulation théorique de façon macroscopique par une méthode numérique mixant la méthode des différences finies et celle des lattices de Boltzmann. Les simulations sont effectuées avec un programme écrit en FORTRAN 90, elles nous ont permis la validation de nos équations différentielles et algorithmes de résolution. Les résultats obtenus ont mis en évidence les profils des différentes grandeurs physiques et électrochimiques dans la pile. Les résultats montrent une augmentation des pertes de concentration cathodique en tension qui est due à la diminution de la fraction molaire de l’oxygène le long de l’entre-modules, et aussi une augmentation des pertes de concentration anodique en tension qui est due à la diminution de la fraction molaire de l’hydrogène le long des canaux modulaires. Nous pensons que la température du module augmente par production de chaleur à partir des réactions chimiques, ce qui améliore les performances de la pile. Les résultats que nous avons obtenus montrent aussi que :  les pertes d’activations et les pertes ohmiques jouent un rôle majeur dans la diminution de la tension lorsque la densité du courant électrique augmente,

 La puissance électrique, collectée au niveau des rangées de modules, augmente continuellement, et ce lorsque nous passons de la première vers la dernière rangée de modules, ce qui est justifié par l’augmentation de la température qui améliore la tension et par conséquence augmente la puissance. Les résultats montrent que l’augmentation de la température d’entrée des gaz améliore considérablement la tension et la puissance de la pile et par suite son rendement. Nous constatons que l’augmentation de la pression dans la pile permet une diffusion facile des gaz au niveau de l'interface électrode/électrolyte, ce qui permet une augmentation des concentrations des réactifs et par conséquence diminue les pertes de concentration et favorise les performances de la pile. En fin nous avons montré que :  La composition des gaz joue un rôle important dans la réduction des pertes de concentration et progresse la tension et la puissance.  La réduction de l’épaisseur des éléments de la pile (anode, cathode et électrolyte) permet une diminution des pertes en tension et une augmentation de la puissance produite au niveau de la pile.