Introduction:
Avec le développement continu des transports mondiaux, la consommation de pétrole augmente dans le monde entier. Parmi ces consommations, la généralisation des moteurs à combustion interne a engendré une grave pollution atmosphérique et aggravé l'effet de serre. Pour remédier à ce problème, les Nations Unies, l'Union européenne et le GIEC se sont accordés à l'unanimité sur un point : nous devons atteindre la neutralité carbone d'ici 2050. Cela signifie que la quantité de dioxyde de carbone émise doit être égale à la quantité de carbone absorbée par l'atmosphère. Par conséquent, en moins de 30 ans, nous devons réduire les émissions de dioxyde de carbone pour atteindre la neutralité carbone et protéger la planète. Comment y parvenir, et quelle voie suivre ?
Pour atteindre cet objectif, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), en tant que source d'énergie propre zéro émission, deviendront sans aucun doute un acteur majeur de la neutralité carbone. La plaque bipolaire, composant essentiel de la pile à combustible PEM, influe directement sur le taux d'utilisation des gaz réactifs ainsi que sur les performances de drainage et de dissipation thermique de la pile. Cet article rassemble et synthétise les données pertinentes, en organisant les six fonctions fondamentales que doivent remplir les plaques bipolaires dans les piles à combustible :
Séparer les cellules individuelles de la pile ;
Transporter l'oxygène et l'hydrogène ;
Fournir un raccordement électrique et conduire l'électricité ;
Éliminer les sous-produits tels que l'eau ;
Dissiper la chaleur de réaction par le biais du liquide de refroidissement ;
Résister à la force de serrage de l'assemblage de la pile.
En se basant sur les six fonctions de base ci-dessus, la conception des plaques bipolaires doit répondre aux neuf exigences de base suivantes :
Forte résistance à la corrosion ;
Faible résistance et excellente conductivité électrique ;
Bonne conductivité thermique pour contrôler efficacement la température des cellules ;
Perte de charge modérée à l'entrée et à la sortie ;
Facile à traiter et à façonner ;
Forte capacité de drainage ;
Poids léger ;
Haute résistance mécanique;
Faible coût.
Pour répondre aux fonctions et exigences de base mentionnées ci-dessus, la conception structurelle de la plaque bipolaire est primordiale. Celle-ci se divise en deux catégories : la forme du champ d’écoulement et la structure des canaux. Cette dernière comprend la taille de la zone de distribution du fluide, la structure de la zone de dérivation, la longueur et le nombre de canaux, le rapport entre la largeur des canaux et la largeur de la crête, les exigences de conception des canaux et leur impact sur les performances de la cellule.
Je présenterai ensuite les deux points clés de conception : la forme du champ d’écoulement et la structure des canaux de la plaque bipolaire. L’accent sera mis sur les points critiques, ainsi que sur les avantages et les inconvénients des différentes formes de canaux. À l’aide d’une analyse bibliographique et d’études de simulation, j’expliquerai l’impact de ces différentes formes de canaux sur les performances de la plaque bipolaire.
II. Formes de canal à plaque bipolaire
Depuis le début des années 1970, les formes des canaux des plaques bipolaires étaient extrêmement simples, principalement des canaux rectilignes et des canaux serpentins simples. Des années 1980 à nos jours, les chercheurs, en approfondissant l'étude des structures de canaux des plaques bipolaires, ont découvert l'impact de ces structures sur les performances des piles à combustible. Des conceptions de canaux plus complexes ont alors vu le jour, telles que les canaux multi-serpentins, les canaux interdigités, les canaux en grille et même les canaux biomimétiques, comme illustré dans la figure ci-dessous :
2.1 Canaux droits
Les canaux rectilignes sont constitués de plusieurs segments rectilignes parallèles. Leurs avantages incluent une fabrication aisée, une faible résistance à l'écoulement et de faibles pertes de charge à l'entrée et à la sortie du fluide. Cependant, leur conception parallèle induit une faible différence de pression entre les canaux, ce qui limite la convection forcée entre les canaux adjacents. Par conséquent, les gaz réactifs doivent principalement diffuser pour pénétrer dans la couche de diffusion gazeuse (GDL) et y réagir. De plus, en raison du faible débit de gaz, l'eau liquide qui s'accumule sous les arêtes et sur les bords des canaux est difficilement évacuée, ce qui provoque l'engorgement des électrodes et affecte les performances globales de la cellule.
Ensuite, à partir de canaux de 0.4 mm de profondeur et 0.5 mm de largeur, nous étudierons la distribution des pertes de charge à l'entrée et à la sortie de canaux de différentes longueurs et structures. La figure ci-dessous illustre la relation entre les pertes de charge et la longueur des canaux, pour des longueurs variant de 100 mm à 500 mm. Il apparaît clairement que les pertes de charge à l'entrée et à la sortie augmentent linéairement avec la longueur du canal. Pour un débit de 10 m/s, la perte de charge augmente d'environ 1.5 kPa tous les 50 mm de longueur de canal (Remarque : ces données proviennent d'Internet et doivent être vérifiées).
Les chercheurs ont également comparé des canaux rectilignes de 280 mm de longueur à des canaux ondulés. L'étude a montré que l'impact sur la perte de charge des canaux ondulés est équivalent à une augmentation de 200 mm de la longueur des canaux rectilignes, prouvant ainsi que les canaux ondulés peuvent accroître la perte de charge à l'entrée sans modifier la longueur du canal. De plus, la turbulence induite par les coudes des canaux ondulés assure une distribution du fluide plus uniforme. Le degré de courbure et le nombre de coudes des canaux ondulés influent également sur la perte de charge. Ces données expliquent pourquoi de nombreux fabricants privilégient la conception de canaux ondulés, une alternative améliorée aux canaux rectilignes.
De plus, les canaux rectilignes comprennent également des configurations à deux et à plusieurs entrées. La figure ci-dessous étudie la distribution du fluide dans les scénarios à deux, quatre et huit entrées, et conclut qu'une configuration à deux entrées permet plus facilement d'obtenir une distribution uniforme du flux dans le champ d'écoulement.
Pour remédier aux problèmes posés par les canaux droits, les concepteurs de canaux ont proposé les solutions suivantes :
1. Réduire la taille du canal pour augmenter le débit de gaz, facilitant ainsi l'évacuation de l'eau produite et prévenant les inondations.
2. Introduire des changements brusques dans les sections transversales du canal pour augmenter la turbulence, provoquant l'expansion et la contraction du gaz latéralement parallèlement à la couche de diffusion, améliorant ainsi la capacité de diffusion des gaz réactifs.
3. Ajouter des zones de guidage pour uniformiser l'écoulement du fluide.
4. Concevoir des champs d'écoulement divisés, où le fluide est dévié du canal principal vers plusieurs sous-canaux puis réintégré, augmentant ainsi la perte de charge et améliorant l'utilisation des réactifs.
2.2 Canaux serpentins
Le canal serpentin à voie unique fut la première forme de canal proposée. Ce type de canal présente l'avantage d'une distribution uniforme du flux, d'une évacuation rapide de l'eau liquide et d'une résistance au colmatage. Cependant, sa longueur relativement importante engendre une chute de pression significative, susceptible de provoquer un transfert de masse insuffisant par la suite, une distribution inégale des gaz et une densité de courant non uniforme. Pour pallier ces problèmes, les chercheurs ont développé le canal serpentin à voies multiples, dérivé du canal serpentin à voie unique.
Bien que la conception à voies multiples en serpentin puisse atténuer ces problèmes, elle ne les résout pas complètement. De plus, ces canaux en serpentin complexifient la fabrication. La principale raison est que leur disposition en série et en parallèle crée une différence de pression entre les canaux adjacents. Ceci provoque le passage du gaz à travers les crêtes des canaux de la plaque bipolaire et son entrée dans un autre canal via la couche de diffusion de gaz (GDL), entraînant un phénomène de « court-circuit ». Par ailleurs, la longueur relativement importante des canaux en serpentin induit toujours une chute de pression significative à l'entrée et à la sortie du gaz, ce qui provoque une distribution non homogène des gaz réactifs et, par conséquent, une distribution non homogène de la densité de courant et de la chaleur.
Les chercheurs ont d'abord étudié l'influence de la position d'un coude dans un canal en serpentin sur la perte de charge. Pour une même longueur de canal, ils ont examiné différentes positions de coude et ont constaté que celle-ci n'avait pratiquement aucun effet sur la perte de charge totale.
Les chercheurs ont ensuite étudié l'influence des angles de courbure, compris entre 30° et 135°, sur la perte de charge. Les résultats ont montré que la perte de charge diminue progressivement avec l'augmentation de l'angle de courbure. Le taux de perte de charge entre 30° et 90° est supérieur à celui entre 90° et 135°, ce qui indique que la perte de charge est plus importante pour les coudes à angle aigu que pour les coudes à angle obtus.
Pour remédier aux problèmes posés par les canaux en serpentin, les concepteurs de canaux ont proposé les solutions suivantes :
Densifier les canaux,
Réduire progressivement le milieu du canal,
Développer le point de vente,
Ajouter des structures de turbulence,
Incorporer des plans directeurs.
Ces orientations visent à optimiser les performances et l'efficacité des canaux serpentins.
2.3 Canaux interdigités
Les champs d'écoulement interdigités, également appelés champs d'écoulement discontinus, sont actuellement peu utilisés. Ceci s'explique principalement par le fait que les canaux d'entrée et de sortie ne sont pas connectés, obligeant les gaz réactifs à traverser la couche de diffusion de gaz (GDL) pour sortir du canal. Il se crée ainsi une forte convection forcée sous les nervures, chassant l'eau de la GDL et augmentant le taux de transport des produits de réaction, ce qui améliore significativement les performances de la pile à combustible. Cependant, cette convection forcée sous les nervures engendre une chute de pression très importante et des pertes de charge considérables à l'entrée et à la sortie des gaz, susceptibles d'endommager la couche catalytique. Une conception inadéquate peut entraîner des courts-circuits, réduisant ainsi l'efficacité d'utilisation des réactifs et des électrodes.
2.4 Canaux de grille
Les canaux de grille consistent à disposer des obstacles de manière régulière à la surface de la plaque bipolaire, formant ainsi des canaux entre l'entrée et la sortie du fluide. Le fluide s'écoule alors entre ces obstacles, provoquant une expansion et une contraction continues des gaz réactifs dans le champ d'écoulement, et par conséquent une turbulence accrue. De ce fait, les canaux de grille permettent aux gaz réactifs d'entrer pleinement en contact avec la couche de diffusion, facilitant ainsi un échange thermique efficace et l'évacuation de la chaleur. Cependant, la multiplicité des chemins possibles pour les gaz réactifs les incite à privilégier les canaux de moindre résistance, ce qui engendre une distribution inégale des gaz. Pour pallier ce problème, la forme et la disposition des obstacles peuvent être optimisées afin d'améliorer le taux d'utilisation des gaz réactifs et, par conséquent, les performances de la pile à combustible.
2.5 Canaux biomimétiques
Les canaux biomimétiques sont généralement conçus en imitant des phénomènes naturels, tels que la ramification des arbres, la nervation des feuilles ou le réseau vasculaire du système cardiovasculaire humain. Ces conceptions tirent pleinement parti de la distribution uniforme des fluides observée dans les systèmes biologiques, garantissant ainsi une utilisation optimale des gaz réactifs. Le principe consiste à agencer les canaux principaux et secondaires de manière rationnelle, permettant une répartition homogène des gaz réactifs. Dans les canaux biomimétiques, les gaz réactifs se séparent et se recombinent continuellement, créant des turbulences qui favorisent leur absorption et leur utilisation. Bien que le débit dans les canaux biomimétiques soit inférieur à celui des canaux serpentins ou interdigités, la perte de charge reste minimale, ce qui améliore encore les performances de la pile à combustible.
IIIStructure des autres parties de la plaque bipolaire
Les performances de la plaque bipolaire dépendent non seulement de la structure des canaux, mais aussi des dimensions des zones d'entrée et de sortie, de la configuration de la zone de transition des réactifs et des dimensions des canaux de la zone de réaction. Examinons maintenant brièvement l'impact de ces trois paramètres sur les performances de la pile à combustible.
3.1 Zones d'entrée et de sortie
Actuellement, les zones d'entrée et de sortie des plaques bipolaires sont principalement situées en périphérie. Ces zones servent de canaux de conduction, permettant aux gaz réactifs et au fluide de refroidissement de circuler à l'intérieur et à l'extérieur de la plaque bipolaire. La disposition et la taille de ces zones influent également sur les performances de la pile à combustible.
Pour optimiser la gestion thermique de l'eau et l'humidité du gaz réactif, les entrées et sorties de la plaque bipolaire sont positionnées de telle sorte que l'entrée d'air à faible humidité se situe du côté le plus froid. Ceci permet l'humidification par diffusion d'eau depuis l'anode, tandis que la sortie d'air à forte humidité se trouve du côté le plus chaud, correspondant à l'entrée d'hydrogène à faible humidité. Cette conception favorise une distribution uniforme de l'eau au sein de la pile à combustible.
Concernant les dimensions des entrées et sorties, les recherches indiquent que la section d'entrée doit être supérieure ou égale à la section minimale du canal multipliée par le nombre de canaux. Généralement, les dimensions relatives de l'entrée et de la sortie sont symétriques. Cependant, avec le développement des plaques bipolaires, certains constructeurs automobiles et producteurs d'énergie ont proposé des plaques d'électrodes asymétriques pour piles à combustible, dont les sections de sortie de l'anode et de la cathode sont supérieures à celle des entrées. Cette conception a permis d'améliorer l'uniformité de la distribution des gaz réactifs.
3.2 Zone de transition des réactifs
La zone de transition des réactifs est l'endroit où les gaz réactifs et le fluide de refroidissement pénètrent dans la zone de réaction. Sa fonction principale est de guider le flux de ces substances vers cette zone. Certaines plaques bipolaires intègrent la zone de transition aux canaux, tandis que d'autres disposent d'une zone de transition distincte. Cette dernière utilise souvent une distribution de canaux en grille ou en matrice de points, permettant ainsi la distribution des gaz dans la zone de transition avant leur entrée dans les canaux.
3.3 Dimensions du canal de la zone de réaction
Les dimensions des canaux dans la zone de réaction sont des paramètres essentiels qui influent sur les performances des gaz réactifs et du fluide de refroidissement. Ces dimensions se décomposent en largeur de canal, largeur de crête et profondeur de canal.
3.3.1 Largeur du canal
Des recherches ont montré que différentes largeurs de canal ont un impact sur les performances, la chute de pression et la distribution des gaz de la pile à combustible comme suit :
La réduction de la largeur du canal contribue à améliorer les performances de la pile à combustible.
Une largeur de canal plus étroite diminue les différences de vitesse d'écoulement entre les canaux adjacents, améliorant ainsi l'uniformité de la distribution du flux.
La réduction de la taille du canal entraîne une augmentation non linéaire de la concentration moyenne en oxygène et de son uniformité, augmentant ainsi les taux de conversion de l'oxygène.
3.3.2 Largeur de la crête
En fonction de la conductivité des matériaux de l'électrode et de la plaque bipolaire, la surface des rainures du champ d'écoulement présente une valeur optimale, ce qui signifie que le rapport entre la largeur du canal et la largeur de la crête est optimal. Le rapport entre la surface des rainures et la surface totale de la plaque bipolaire correspond à la porosité de cette dernière. Les recherches indiquent que la porosité doit se situer entre 40 % et 75 %. Une porosité trop élevée entraîne une résistance de contact excessive entre l'électrode et la plaque bipolaire, augmentant ainsi les pertes par polarisation ohmique de la cellule. À l'inverse, une porosité trop faible réduit la surface de réaction en raison de la taille insuffisante des canaux.
3.3.3 Profondeur du chenal
Des études montrent que, dans une certaine limite, plus la profondeur du canal est faible, meilleures sont les performances de la pile à combustible. Cependant, un canal trop peu profond peut engendrer une perte de charge excessive. Compte tenu de l'influence de la profondeur du canal sur la perte de charge et la concentration des gaz, les performances optimales sont obtenues pour une profondeur de 0.6 mm (ces données sont issues de simulations ; les résultats réels peuvent varier en fonction de différents facteurs).
En résumé, pour un débit de gaz donné, la réduction appropriée de la profondeur et de la largeur des canaux permet d'accroître la vitesse d'écoulement du gaz, sa concentration au niveau de la couche de diffusion de gaz (GDL) et de la couche catalytique, ainsi que d'améliorer le drainage de l'eau et la dissipation thermique du champ d'écoulement. Toutefois, afin d'éviter une perte de charge excessive dans les canaux et une résistance de contact élevée entre la plaque bipolaire et la GDL, la largeur et la profondeur des canaux ne doivent pas être trop faibles.
Perspectives
Composant essentiel des piles à combustible, la forme et la structure des canaux de la plaque bipolaire influent directement sur le taux d'utilisation des gaz réactifs et sur les performances de la pile. Actuellement, les formes les plus courantes sont les canaux droits et les canaux serpentins, les améliorations portant principalement sur leurs dimensions et leur structure.
Parmi les clients de TMN qui utilisent des plaques bipolaires sur mesure, outre les optimisations mentionnées précédemment concernant la structure des canaux, les zones d'entrée et de sortie, les zones de transition des réactifs et les dimensions des canaux de la zone de réaction, on observe également diverses exigences de fabrication pour les plaques bipolaires. Voici deux des cas les plus typiques :
Cas classique 1 : Revêtement de surface
Cela implique le dépôt électrolytique de platine sur une face de la plaque bipolaire et de MMO (oxyde métallique mixte) sur l'autre face.
Boîtier classique 2 : Canaux à double profondeur
Ce procédé consiste à graver des canaux de deux profondeurs différentes sur la même face de la plaque bipolaire. Par exemple, si l'épaisseur totale des plaques bipolaires est de 2.0 mm, des canaux de 0.6 mm et 0.4 mm de profondeur peuvent être gravés sur une face, tandis qu'un canal de 0.5 mm de profondeur peut être gravé sur l'autre face.
TMN investit chaque année dans la recherche sur la fabrication de plaques bipolaires. Les technologies de fabrication évoluent au rythme du développement de ces plaques, offrant ainsi un soutien technique fiable pour la R&D. Si vous menez des recherches sur les plaques bipolaires et avez besoin d'assistance technique, n'hésitez pas à nous laisser un message. Nous vous contacterons dans les plus brefs délais afin de vous proposer les meilleures solutions et un support technique de pointe.
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