La modélisation mathématique des structures poreuses et le fonctionnement des couches catalytiques cathodiques dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons
La conversion énergétique dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MEP) comprend une série de réactions électrochimiques qui transforment les molécules d’hydrogène et d’oxygène en eau, un processus hautement efficace et sans danger pour l’environnement. L’eau, le produit de la réaction globale, contribue à tous les processus essentiels dans la cellule. La gestion de l’eau revêt donc une importance critique pour l’exploitation des piles à combustible. Cela met en jeu le contrôle des flux aqueux et le maintien des niveaux appropriés de saturation d’eau liquide dans les différents composants des piles. Les expériences et la modélisation indiquent clairement que la couche catalytique cathodique (CCC) joue un rôle crucial dans ces processus. Le bon fonctionnement de la CCC est intimement lié à sa composition (phase platine/de support, phase ionomère et espace poreux), à sa structure poreuse et à ses propriétés mouillantes. En partenariat avec l’Institut d’innovation en piles à combustible du CNRC, l’équipe de recherche a approfondi l’analyse d’un modèle mathématique de base du fonctionnement de la CCC en utilisant les détails structurels de la couche, l’écoulement aqueux sortant de la membrane, la formation d’eau liquide par réaction électrochimique dans la CCC, la transformation de l’eau par évaporation et condensation et, finalement, l’écoulement diphasique comprenant une phase liquide et une phase de vapeur. Les chercheurs ont étudié systématiquement les effets de la composition de la CCC, la structure poreuse, les propriétés mouillantes des pores, les conditions de fonctionnement et les conditions aux limites aux interfaces avec la membrane et la couche de diffusion gazeuse. Les résultats ont mené à des suggestions concernant l’optimisation des capacités de circulation d’eau des CCC et les densités de puissance des piles à combustible. Des mises à l’essai expérimentales de ces suggestions sont en cours.
