La modélisation multi-physique des piles à combustible

Les piles à combustible convertissent directement l'énergie chimique en énergie électrique par réaction électrochimique, un processus beaucoup plus efficace que d'autres systèmes plus conventionnels de production de l'électricité. L'Université Technologique du Danemark développe des piles à combustibles à oxyde solide constituées de couches minces de céramiques avancées (et de métaux pour certaines d'entre elles).

Les travaux de recherche et de développement abordent tant les recherches fondamentales concernant les matériaux et leurs propriétés structurelles que la production de piles complètes. Le projet CFDSOFC (Multi-scale computational fluid dynamics modelling and optimisation of the state-of-the-art solid oxide fuel cells), financé par l'UE, dans le cadre du programme Marie Curie, a cherché à mieux comprendre leur performance électrochimique. Les travaux du récipiendaire se sont principalement orientés sur les problèmes techniques posés par la commercialisation de cette technologie.

Un modèle tridimensionnel a ainsi été mis au point pour mieux comprendre le fonctionnement des SOFC en décrivant précisément leur géométrie. Les réactions électrochimiques et les phénomènes de transport des électrons ont ainsi pu être décrits en utilisant la notion de «termes sources» dans les équations décrivant la conservation de chaleur, de masse, de mouvement et le transport des ions et des électrons.

En appliquant les conditions limites appropriées, ces équations de conservation ont été résolues en utilisant un logiciel multi-physique. Plus spécifiquement, le logiciel de modélisation COMSOL Multiphysics a permis de résoudre les équations en 3D en utilisant la mécanique des fluides numérique pour les modules de transfert de chaleur et d'électrochimie.

Le modèle CFDSOFC a ensuite été validé par la mesure expérimentale des propriétés microstructurales des piles à combustibles, un paramètre essentiel pour leur durée de vie. Lors de l'étape suivante, le chercheur a dérivé les paramètres de plusieurs cas de référence afin d'obtenir une conception optimale pour les piles à combustible.

L'université technique du Danemark a une longue tradition de coopération avec des instituts de recherche du monde entier. Lors de l'achèvement du projet CFDSOFC, quand le boursier Marie Curie rentrera chez lui à l'université de Bolu (Turquie), cette coopération devrait ainsi se poursuivre dans d'autres programmes de recherches.