Simulations des transports monophasiques et diphasiques dans des microstructures poreuses, à partir d’images tomographiques de couches de diffusion des gaz de piles à combustible à membrane échangeuse de protons

L’hydrogène comme vecteur énergétique est une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. En effet, l’hydrogène permet de stocker de grandes quantités d’énergie de façon totalement décarbonée. Pour favoriser l’utilisation à grande échelle de l’énergie hydrogène, il est essentiel de réduire le coût des piles à combustible et d‘augmenter leur durabilité et leurs performances. Les matériaux situés au coeur des piles à combustible ont un impact fort sur leurs performances et leur durabilité. Dans ce contexte, optimiser les matériaux est crucial. Nous développons dans cette thèse une démarche de modélisation des matériaux poreux des piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Nous nous concentrons sur un matériau en particulier, celui intervenant dans les couches de diffusion des gaz (GDL). Les GDL ont de multiples fonctions, notamment de permettre en leur sein des transports simultanés de gaz, d’électrons, de chaleur et d’eau sous forme vapeur et liquide. Pour permettre ces transports, les GDL sont composées d’une phase fluide et d’une phase solide, elle-même constituée de plusieurs matériaux. La microstructure des GDL joue un rôle crucial sur les compromis entre les fonctions des GDL et l’efficacité des transports. Nous utilisons la tomographie aux rayons X pour imager la structure interne des GDL à l’échelle micrométrique, et développons des outils numériques pour simuler les transports sur les microstructures. Nous montrons que des simulations sur des images de grandes tailles sont réalisables en temps raisonnables. Nous validons les simulations de transports dans les GDL numériquement et expérimentalement. Le premier chapitre est consacré à la modélisation d’une expérience ex-situ d’injection d’eau dans les GDL. Nous développons un modèle réseau de pores extrait d’images tomographiques, pour simuler les écoulements d’eau dans les GDL en présence de forces capillaires. Nous validons les simulations réseaux de pores en utilisant des images tomographiques montrant l’eau liquide dans une GDL lors d’une expérience d’injection d’eau. Nous montrons que les courbes de pression capillaire peuvent être déterminées par simulations réseau de pores ou par simulations full morphology sur des images tomographiques. Le deuxième chapitre est consacré à la simulation des transports de gaz et d’électrons dans les GDL. Nous développons une méthode de simulation réseau de pores, consistant à décomposer l’image en régions de formes simples et à calibrer des modèles physiques sur ces régions. Cette approche à deux échelles est économe en temps de calcul. Nous comparons ces simulations à des simulations directes et à des formules analytiques. Une seconde partie concerne la comparaison des simulations directes à des mesures expérimentales. Nous montrons que les transports dans la phase fluide peuvent être déterminés avec fiabilité par simulation directe sur les images tomographiques, tandis que la simulation des transports dans la phase solide nécessite des informations non fournies par la tomographie aux rayons X. Le troisième chapitre est consacré à la modélisation de la condensation de l’eau dans les GDL. La vapeur d’eau produite par la réaction du dihydrogène avec le dioxygène traverse les GDL et condense dans les zones froides des GDL. Un modèle réseau de pores couplant diffusion de la vapeur d’eau, changement de phase et forces capillaires est développé. Nous étudions ce modèle sur des réseaux de pores générés virtuellement. Le dernier chapitre est consacré à l’étude de microstructures conçues virtuellement. Nous montrons qu’il est possible de produire virtuellement des microstructures proches de celles de matériaux réels, de chercher des microstructures optimales, et d’étudier des effets physiques par simulation sur matériaux virtuels.Hydrogen as an energy carrier is a promising solution for reducing emissions of greenhouse gases. Indeed, hydrogen can be used to store large amounts of energy in a completely carbon-free way. To promote the widespread use of hydrogen energy, it is essential to reduce the cost of fuel cells and increase their durability and performance. The materials in the heart of fuel cells have a strong impact on their performance and durability. In this context, opti-mizing the materials is crucial. We develop in this thesis a modeling approach of porous materials in proton exchange membrane fuel cells. We focus on a specific material that takes part in the gas diffusion layers (GDL). The gas diffusion layers are crossed by gas, electron, heat and water fluxes. To allow such multiple transports, GDL are composed of a fluid phase and a solid phase, itself consisting of several materials. The microstructure of the GDL plays an essential role on the tradeoffs between transports. To model these tradeoffs, we use X-ray tomography to image the microstructure at micrometer scales, and develop digital tools to simulate the transport on tomographic images. We validate the simulations with experimental characterizations and tomographic images of GDL. Great care has been taken in the computer performance of the numerical tools, because tomographic images in three dimensions are a challenge because of the size of the data. The first chapter of this thesis is devoted to modeling of an ex-situ water injection experiment in a GDL. We develop a pore network model extracted from tomographic images, to simulate liquid water flows in GDL in the presence of ca-pillary forces. We validate pore networks simulations using tomographic images showing the liquid water in a GDL dur-ing a water injection experiment. We show that the capillary pressure curves can be determined reliably by pore net-work simulations or full morphology simulations on tomographic images. The second chapter is devoted to one-phase transport simulations in GDL. The first part of this chapter is devoted to the development of pore networks simulations for the diffusivity and the electrical conductivities of the GDL. We de-velop a two-scale simulation methodology, which consists of decomposing the image into elements having simple shapes, and to calibrate physical models on these elements. This method considers the effect of the microstructure on the physical transfers in an economical way, reducing the computing time. We compare the pore network simulations to direct simulation on microstructures and to analytical formulas. The second part is devoted to the comparison of transport simulations with experimental measurements. We show that the transports in the fluid phase can be deter-mined reliably by direct simulations on the tomographic images, while transports in the solid phase require additional information not provided by X-ray tomography. The third chapter is devoted to modeling of the condensation of water in the GDL. The steam produced by the reaction of the hydrogen with the oxygen passes through the GDL and condenses in the cold areas of the GDL. A pore network model coupling diffusion of steam, phase change and capillary forces is developed. We study this model on virtually generated pore networks. The last chapter is devoted to the study of virtually designed microstructures. Virtually exploring new materials designs has advantages over the experimental approach, in terms of speed, cost and control over the microstructures. We show that it is possible to virtually produce microstructures close to those of real materials, to seek optimal microstructures, and control the microstructure to better study some physical effects using simulation