Experimental study and Modeling of Multi-Phase Transfers in the Porous Components of a PEM Electrolyzer

Étude expérimentale et modélisation multi-phasique des transferts dans les composants poreux d'un électrolyseur PEM L'Électrolyse de l'Eau à Membrane Échangeuse de Protons (PEMWE) est une technologie prometteuse pour la production d'hydrogène à grande échelle industrielle. Toutefois, elle rencontre des limitations dues aux problèmes de transport de matière et de transfert de charges dans la couche de transport poreuse (PTL) et la couche catalytique (CL) du côté de l'anode. La première partie de cette étude se penche sur l'analyse de l'effet de la porosité et de la taille des pores de la PTL, cruciales pour un transport efficace de l'eau, des gaz et des électrons. Un flux de gaz provenant d'un canal et s'écoulant vers un canal transportant de l'eau, à travers une PTL initialement saturée d'eau, est étudié par des expériences et de la modélisation. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est utilisée pour quantifier la teneur en eau dans la couche poreuse pendant le transfert de gaz pour différents débits d'entrée de gaz et d'eau. La dépendance du profil de saturation et de la formation de bulles en fonction des débits de gaz et d'eau, de l'orientation du canal d'eau et de la direction du flux est étudiée. Pour mieux comprendre les caractéristiques des flux dans la PTL, le modèle de champ de phase basé sur la théorie de Cahn-Hilliard pour décrire une interface diffuse est utilisé pour modéliser le transport de l'eau et du gaz sur une couche poreuse en 2D. Les simulations numériques fournissent des informations sur les chemins pris par le gaz dans le milieu poreux et sur les profils de saturation au fil du temps en fonction des vitesses du gaz et de l'eau dans les canaux. L'étude a également permis d'analyser la croissance des bulles à la surface d'un micro-orifice submergé, en développant une méthode analytique pour estimer le rayon des bulles. Les transferts de matière et de charge dans une couche catalytique (CL) sont étudiés par simulation numérique avec comme objectif de faire le lien avec la PTL, notamment sa structure. Un modèle mathématique est développé, couplant les équations généralisées de Darcy avec des équations électrochimiques basées sur la loi de Tafel et le transfert de charge par la loi d'Ohm. Bien que cette approche globale ait montré des limites en termes d'influence du transport diphasique, les simulations numériques 2D permettent d'observer l'influence des paramètres de transport et électrochimiques, ainsi que des paramètres géométriques macroscopiques sur la surtension d'activation sous différentes densités de courant.