Paramètres caractérisant les performances d un humidificateur intégré dans un système pile à combustible. C. Dalet, O. Lottin, G. Maranzana, M.

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1 Paramètre caractériant le performance d un humidificateur intégré dan un ytème pile à combutible C. Dalet,. Lottin, G. Maranzana, M. Diny Grenoble,

2 Sytème pile à combutible air ec échangeur de chaleur T dry air, in, r dry air, in compreeur T cathode out, r cathode out humidificateur T cathode in, r cathode in air humide PEMFC bjectif : Modèle imple de l humidificateur Définition de paramètre (efficacité alable quelque oit la technologie d humidification ) Application : Détermination de condition optimale d entrée de fluide dan l humidificateur

3 Conéquence d une d mauaie getion de l eau l dan une PEMFC Aèchement Engorgement Caue : Caue : Température de fonctionnement trop éleée Preion de fonctionnement trop faible Gaz ec en entrée de pile Problème d éacuation de l eau produite à la cathode ; umidité de gaz en entrée de pile trop éleée. Conéquence : Conéquence : Augmentation de la réitance ionique de l électrolyte Ralentiement de la cinétique de réduction de l oxygène Mauaie diffuion de gaz er le ite catalytique Dégradation de la pile Dégradation de la pile 3

4 Technique d humidificationd Technique interne Modification du cœur de pile permettant une meilleure répartition de l eau crée à la cathode Technique externe Inertion d un humidificateur en amont de la pile Ref. : Watanabe et al. [993] Ref. : umidificateur PermaPure 4

5 umidificateur umidificateur Contact direct eau / gaz Utiliation d un milieu intermédiaire Injecteur de apeur Injecteur d eau liquide Milieu imperméable au gaz réactif (humidificateur membranaire) Milieu perméable au gaz réactif Contact urfacique (ruiellement) Contact olumique (bulleur) Contact mixte (colonne à garniage) Sytème régénératif paif Roue enthalpique Deux paramètre caractéritique : efficacité thermique (ou enible ) efficacité matière 5

6 Performance d un d ytème d humidification d (Bibliographie) Efficacité thermique ou «enible» ε q q max C C h min ( Th, inlet Th, outlet ) ( T T ) h, inlet c, inlet C C c min ( Tc, outlet Tc, inlet ) ( T T ) h, inlet (Kay and London [964]) c, inlet aec C m& a c p ( ) C c C h C min, min Fluide limitant le tranfert thermique Valable uniquement en l abence de changement de phae 6

7 Performance d un d ytème d humidification d (Bibliographie) Efficacité matière (Zhang and Niu, [00] Sparrow et al. [007]) ε L m& m & dryair min ( rdryair, outlet rdryair, inlet ) ( r r ) wetair, inlet dryair, inlet Fluide limitant le tranfert de matière Valable pour de échangeur air / air L équilibre et traduit par l égalité de humidité abolue moteur de échange de matière : gradient de potentiel chimique (et non un gradient de teneur en eau) 7

8 8 Détermination de temp termination de température et humidit rature et humidité de ortie dan le ca id de ortie dan le ca idéal al Potentiel chimique (rappel) : Potentiel qu une ubtance a de ubir un changement dan un ytème ( ) ( ) dt T p T p T T T p p ,, µ µ µ + p p p T T dp p 0 0 µ p p S T 0 µ T T p RT V p 0 µ P, P, T T

9 Nouelle définition d de efficacité d un d humidificateur bjectif Définir de efficacité alable quelque oit la technologie d humidification conidérée Prendre en compte de phénomène de changement de phae Prendre en compte de équilibre thermodynamique (égalité de potentiel chimique) Mie en œure ε th dryair id r ε m dryair id T ( T, r ) ( c + r'. c + r'. c ) T + r'. L( T ) pa p l pl Aantage de l expreion ε m : ε th + ε m real ideal 9

10 Détermination de température et humidité de ortie dan le ca idéal Équation bilan Bilan de matière : Bilan enthalpique : m& ( r, r ) m& & 3 4 a id m ( T, r ) + ( T, m& ) m& ( T, r ) ( T m& ) m& + a 3 3 a 4, 4 Équation d équilibre Équilibre thermique Équilibre thermodynamique 0

11 Détermination de température et humidité de ortie dan le ca idéal Équilibre thermique Échange thermique Équilibre thermodynamique Échange de matière T id 4, T ( p, T ) ( p T ) µ 4, id 4, id µ, T id, T3 ( p, T ) ( p T ) µ, id, id µ 3, 3

12 Détermination de température et humidité de ortie dan le ca idéal Équation bilan Bilan de matière : Bilan enthalpique : m& ( r, r ) m& & 3 4 a id m ( T, r ) + ( T, m& ) m& ( T, r ) ( T m& ) m& + a 3 3 a 4, 4 Équation d équilibre Équilibre thermique : 4, T Équilibre thermodynamique : T id ou T, id T3 µ ( p, T ) ( p T ) ou µ ( p, id, T, id ) µ ( p3, T3 ) 4, id 4, id µ, 4 ytème d équation à réoudre : le température et humidité de ortie correpondent aux olution du eul ytème donnant de aleur phyiquement acceptable

13 Expreion de efficacité ε ε th m m& m & a m& m & a a ( ( T, r ) ( T, r )) ( ( T, r ) ( T, r )) a, id, id ( ( T, r ) ( T, r )) ( ( T, r ) ( T, r )), id, id 3

14 Exemple d application d pour un échangeur air/air: Détermination de condition d entrd entrée e optimale de fluide. air ec T compreeur échangeur de chaleur humidificateur Donnée d entrée : bjectif d humidification T cathode out r cathode out T cathode in r cathode in Variable : Température d entrée T air humide PEMFC Éolution de efficacité de l humidificateur en fonction de la température d entrée de l air ec 4

15 Exemple d application d pour un échangeur air/air: Détermination de condition d entrd entrée e optimale de fluide. Condition de fonctionnement de la pile Température (T fuel cell ): 60 C Preion(P fuel cell ) : Débit d air ec: bar kg/ umidité relatie de l air en entrée cathode (R fuel cell ): 60-80% Paramètre de l air ec en entrée de l humidificateur (à T fuel cell et an eau liquide en entrée de pile) Température (T ): Preion (P ) : Débit d air ec: [0-80 C] P fuel cell kg/ Paramètre de l air humide en entrée de l humidificateur Température (T 3 ): Preion (P 3 ) : Débit d air ec: T fuel cell P fuel cell kg/ umidité relatie 00% 5

16 Exemple d application d pour un échangeur air/air: Détermination de condition d entrd entrée e optimale de fluide. Échange dan un humidificateur idéal: T dry air, in T wet air, in T dry air,out T wet air, out 6

17 Exemple d application d pour un échangeur air/air: Détermination de condition d entrd entrée e optimale de fluide. Échange dan un humidificateur idéal: µ dry air, in µ wet air, in µ dry air,out µ wet air, out 7

18 Exemple d application d pour un échangeur air/air: Détermination de condition d entrd entrée e optimale de fluide. Efficacité thermique minimale pour atteindre le objectif d humidification 8

19 Exemple d application d pour un échangeur air/air: Détermination de condition d entrd entrée e optimale de fluide. µ wet air, out - µ dry air, in µ wet air, in - µ dry air,out Efficacité matière pour atteindre le objectif d humidification 9

20 Quelque réultat r expérimentaux umidificateur PermaPure FC ABS: umidificateur membranaire tubulaire à courant croié Faiceaux : Nature : Nafion Nombre : 660 Tube : TT-040 (ID mm, D. mm) Montage: dpec R T P PILE dpcathode Air humide PERMAPURE R T Ra Ta R3 T3 T4 Air ec dphum R4 Echappement BANC 0

21 Quelque réultat r expérimentaux Efficacité matière:

22 Quelque réultat r expérimentaux Efficacité thermique:

23 Concluion et Perpectie Efficacité alable quelque oit la technologie d humidification conidérée Prie en compte de phénomène de changement de phae Mie en éidence de température optimale d entrée échangeur intermédiaire?? Perpectie Étude de l effet de la preion d entrée de gaz Relier le efficacité à la notion de Nombre d Unité de Tranfert Réaliation d un modèle détaillé de humidificateur 3

24 Paramètre caractériant le performance d un humidificateur intégré dan un ytème pile à combutible C. Dalet,. Lottin, G. Maranzana, M. Diny 4