Mémoire Online: Étude numérique bidimensionnelle des champs thermiques dans le plan parallèle à l’écoulement des gaz d’une pile à combustible SOFC planaire

 Sommaire: Étude numérique bidimensionnelle des champs thermiques dans le plan parallèle à l’écoulement des gaz d’une pile à combustible SOFC planaire

Introduction Générale
Chapitre I Paramètres physiques décrivant une cellule de la pile à combustible du type SOFC: Etude bibliographique
I.1 Introduction
I.2 Principe de fonctionnement d’une pile SOFC
I.3 Matériaux et Paramètres physiques des composants du SOFC
I.3.1 Electrolyte
I.3.2 Cathode et Anode
I.3.3 Paramètres physiques
I.3.4 Paramètres physiques et dimensions typiques de SOFC
I.4 Dimension et paramètres de la cellule
I.4.1 Spécification du SOFC
I.4.2 Paramètres modèles d’entrée pour le calcul standard
I.4.3 Schéma du modèle 3D
I.4.4 Géométrie d’une cellule SOFC
I.5 La conductivité
I.5.1 Expressions de la conductivité
I.5.2 Comparaison des conductivités
I.6 Pile IT- SOFC
I.7 Variation des pertes ohmiques avec l’épaisseur
I.8 Effet de la température d’air et de taux d’écoulement de carburant sur la tension de cellule
I.9 Influence de l’épaisseur sur le rendement et la densité de puissance
I.10 Pile FT-SOFC anode supporté
I.11 Caractéristiques thermoélectriques de la pile SOFC
I.12 Equation d’énergie
Chapitre II Modélisation numérique du champ thermique dans une cellule de pile à combustible SOFC le long de l’écoulement des gaz
II.1 Introduction
II.2 Modèle physique
II.3 Modèle Mathématique
II.3.1 Equations gouvernantes
II.3.1.1 Equation d’énergie
II.3.1.2 Equations de conservation d’espèces
II.3.2 Résolution Numérique
II.3.3 Discrétisation de l’équation de transport
II.3.4 Les conditions aux limites
II.3.5 La forme matricielle du problème
II.3.6 La méthode SOR
II.3.7 Propriétés et paramètres utilisés dans les calculs
Chapitre III Résultats et interprétations
III.1 Introduction
III.2 Tableaux récapitulatifs des résultats obtenus
III.3 Champ thermique en absence de sources de chaleur SOFC A/S
III.4 Champ thermique sous l’effet de la source d’activation SOFC A/S
III.5 Champ thermique sous l’effet de la source Ohmique SOFC A/S
III.6 Champ thermique sous l’effet de la source Totale SOFC A/S
III.7 Champ thermique sous l’effet de la source Ohmique SOFC E/S
III.8 Perte d’activation en fonction de la densité de courant (I)
III.9 Perte d’activation en fonction de la température (T)
Conclusion générale
Références
bibliographiques

Extrait du mémoire étude numérique bidimensionnelle des champs thermiques dans le plan parallèle à l’écoulement des gaz d’une pile à combustible SOFC planaire

Chapitre I Paramètres physiques d’une cellule SOFC
Etude bibliographique
I. Étude et Synthèse Bibliographique
I.1. Introduction
La matière principale d’électrolyte employée dans les SOFCs est actuellement YSZ. Bien que beaucoup d’autres matériaux d’oxyde conduisent les ions un peu certain et meilleur que la zircone, or ce matériau a un nombre d’attributs significatifs qui lui font l’idéal pour cette application, y compris l’abondance, la stabilité, la non-toxicité. Par ailleurs on peut mentionner plusieurs inconvénients comme le coefficient élevé de dilatation thermique et les problèmes de joindre et de sceller le matériau.
L’Yttrium est le stabilisateur principal utilisé actuellement pour la zircone, bien que tous les deux plus chers matériaux le scandium et le ytterbium donnent une meilleure conductivité ionique. Typiquement, l’yttrium est ajouté à 13-16% en poids (8-10.5 mol %) pour donner un matériau cubique entièrement stabilisé.
Des détails de ces matériaux sont fournis dans l’offre de ce chapitre. Les SOFCs fonctionnent à des températures élevées à partir de 600 à 1000°C pour assurer la conductivité suffisante des ions par leurs électrolytes qui sont non-conducteurs aux électrons.
L’électrolyte doit répondre à plusieurs critères pour le bon fonctionnement :
• Il doit être dense et étanche.
• Il doit avoir la composition correcte pour donner la bonne conduction ionique aux températures de fonctionnement.
• Il doit être mince pour réduire la résistance ionique.
• Il doit être prolongé dans le secteur pour maximiser la capacité courante.
• Il devrait résister à des chocs thermiques.
• Il doit être économiquement traitable.
Ces conditions ne sont pas facilement regroupées.
Après avoir produire la membrane d’électrolyte de YSZ, il est alors nécessaire d’appliquer des électrodes à la surface de contact de carburant (anode) et au côté d’oxydant (cathode).
Ces électrodes sont habituellement faites à partir des matériaux particulaires qui sont partiellement aggloméré pour former des couches de conduites poreuses.
Le nickel est la matière principale d’anode employée dans les anodes de SOFC depuis 1964, en grande partie en raison de son exécution et sciences économiques connues. Malheureusement, le métal de nickel n’adhère pas fortement à YSZ sauf qu’il soit mélangé à la zircone.
L’échauffement lent des conceptions planaires existantes est une conséquence du coefficient de dilatation thermique et de la fragilité élevés de YSZ. Si la pile planaire est chauffée à 800°C trop rapidement, alors elle peut fendre, entraînant l’échec catastrophique. N’importe quelle grande structure de YSZ souffrira le même problème que des gradients thermiques sont installé par la céramique. Il est important d’utiliser de plus petits plats ou tubes pour résister au choc thermique. Un générateur de 100 kW a pu alors être construit de 1152 cellules.

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