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Simulation Numérique Unidimensionnelle du Phénomène de Transfert de Chaleur, Masse et Charge dans une Pile à Combustible à Membrane Echangeuse de Protons

B. Mahmah1, A. M’Raoui1, H. Benmoussa2, M. Belhamel1

1. Centre de Développement des Energies Renouvelables, BP 62, route de l’observatoire bouzaréah - Alger. email : mah2bouziane@yahoo.fr 2. Université Hadj Lakhdar de Batna, rue chahid boukhlouf - Batna

Résumé

Le but de notre travail est de modéliser et d’étudier le transfert de chaleur, de masse et de charge dans une pile à combustible à membrane échangeuse de proton alimenté par de l’hydrogène. Ceci nous permet de connaître le phénomène ayant lieu à l’intérieur de la membrane, ainsi nous pouvons mieux prévoir son comportement dans différentes conditions. Nous avons ainsi établi les équations de transfert de masse, de chaleur et de transport de charge d’une membrane poreuse de type Nafion 117. Pour le transfert de chaleur, nous considérons l’effet de convection, conduction ainsi que l’effet Joule Thomson de l’échauffement de la membrane lors du passage d’un courant électrique. Pour le transfert de masse la diffusion de fick a été considérée avec l’effet de la force électro-osmotique, et enfin pour le transport des espèces nous avons employé une équation de type Darcy pour une membrane poreuse isotrope. Nous posons ainsi deux équations aux dérivées partielles de type parabolique que nous avons résolu en discrétisant par les différences finies pour l’espace et burlisch-stoer pour l’intégration du temps. Cette procédure est très stable et donne de très bons résultats lors de la validation du code par des problèmes dont la solution est connue. La résolution de ces équations donne le profil de température et de concentration d’eau à l’intérieur de l’épaisseur de la membrane à différents instants pour des conditions opératoires déterminées, aussi le potentiel de la membrane est calculé. Les simulations effectuées nous permettent de valider nos équations différentielles et algorithmes de résolution en comparant à des autres travaux effectués dans le même domaine.

Abstract

the goal of our work is to model and study the transfer of heat, mass and load in a fuel cell with exchanging membrane of proton supplied with hydrogen. This enables us to know the phenomenon taking place inside the membrane, thus we can better envisage his behaviour under various conditions. We thus established the equations of transfer of mass, heat and transport of load of a porous membrane of type Nafion 117. For the transfer of heat, we consider the effect of convection, conduction as well as the Joule effect Thomson of the heating of the membrane at the time of the passage of an electrical current. For the mass transfer the diffusion of fick was considered with the effect of the electro osmotic force, and finally for the transport of the species we employed an equation of the Darcy type for an isotropic porous membrane. We pose thus two partial derivative equations of parabolic type which we solved while discretizing by the differences finished for space and burlisch-stoer for the integration of time. This procedure is very stable and gives very good results during the validation of the code by problems whose solution is known. The solution of these equations gives the profile of temperature and of concentration of water inside the thickness of the membrane at various moments for determined operating conditions, therefore the potential of the membrane is calculated. Simulations carried out enable us to validate our differential equations and algorithms of resolution while comparing with the other work carried out in the same field.

Mots-clés

Pile à combustible, Hydrogène, Membrane, Modèle mathématique, Phénomène de transfert.

1400. Simulation Numérique Unidimensionnelle du Phénomène de Transfert de Chaleur, Masse et Charge dans une Pile à Combustible à Membrane Echangeuse de Protons
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