Investigation of liquid water heterogeneities in large area PEM fuel cells using a two-phase flow multiphysics model.

La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (ou PEMFC selon l'acronyme anglais) est une option sérieuse dans de nombreuses applications notamment pour décarboner le secteur du transport. Parmi les obstacles, le coût et la durabilité représentent les deux défis principaux à relever pour réaliser des systèmes de piles à combustible propres, fiables et rentables. Une bonne gestion de l'eau liquide et de la chaleur produites dans les piles à combustible de type PEM est cruciale pour augmenter à la fois ses performances et sa durabilité. En effet, de grandes variations d'eau liquide et de température peuvent détériorer de façon irréversible la structure des cellules (microfissures dans la membrane, changement de la composition chimique des catalyseurs, etc.).Dans cette étude, la théorie complexe des écoulements diphasiques dans les piles à combustible de type PEM est décrite en mettant l'accent sur la moyenne volumique locale des équations de conservation en milieu poreux. À partir de cette analyse théorique, deux modèles multi-physiques et multi-composants ont été développés en considérant dans un premier temps un écoulement monophasique puis diphasique pour étudier les hétérogénéités de l'eau liquide dans les piles à combustible de grande surface. Les deux modèles considèrent la cellule comme un système multicouche où chaque composant est discrétisé selon son épaisseur. Cette approche pseudo-3D est implémentée dans le logiciel commercial COMSOL Multiphysics® pour simuler le fonctionnement d’une cellule grande surface avec un temps de calcul raisonnable tout en représentant de manière fidèle le design des plaques bipolaires. Les résultats numériques sont comparés à des mesures d'eau liquide obtenues par imagerie neutron pour plusieurs conditions opératoires. Les avantages et les inconvénients des deux modèles sont discutés. De plus, une étude de sensibilité est réalisée pour analyser certains paramètres clés dans la modélisation des mécanismes de transport de l'eau. Enfin, la distribution de l'eau est examinée dans les différents composants d’une cellule avec les deux modèles.The Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a promising candidate for many applications particularly for the transportation in order to decarbonize this sector. Of the barriers, cost and durability represent two of the most significant challenges to achieving clean, reliable and cost-effective fuel cell systems. Proper management of the liquid water and heat produced in PEM fuel cells remains crucial to increase both its performance and durability. Indeed, large liquid water and temperature variations in the cell may accelerate long-term structural problems until irreversible degradation (membrane micro-cracks, pinholes, alteration of the catalyst chemical composition, etc.).In this study, the complex theory of two-phase flow in PEM fuel cells is reviewed with a focus on the local volume-average of the conservation equations in a porous medium. From this theoretical analysis, two multi-physics and multi-component models are developed considering one-fluid and two-fluid dynamics to investigate the liquid water heterogeneities in large area PEM fuel cells. Both models consider the cell as a multi-layered system where each component is accurately in-plane discretized. This pseudo-3D approach is implemented in the commercial COMSOL Multiphysics® software to simulate a large-surface cell operation with a reasonable computing time while keeping the real flow-field design. Numerical results are compared to liquid water measurements obtained by neutron imaging for several operating conditions. The advantages and drawbacks of both models are discussed. In addition, a sensitivity study is performed to analyze some key parameters in the modeling of water transport mechanisms. Finally, the numerical water distribution is examined in each component of the cell with both models