Influence des conditions de mouillage sur les déplacements quasi-statiques eau-air et l'évaporation en milieux poreux modèles. Application à la gestion de l'eau dans les piles à combustibles de type PEMFC

Abstract

Cette étude est motivée par le problème de la gestion de l'eau des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Elle a pour objectif principal une étude expérimentale et le développement d'outils de simulation d'écoulements quasi-statiques eau-air avec ou sans changement de phase en milieu poreux modèles dans le but d'améliorer les connaissances, notamment en ce qui concerne l'effet de la mouillabilité du milieu poreux sur les lois d'invasion et les cinétiques de séchage. L'étude est effectuée pour deux types de milieux poreux modèles bidimensionnels : - Réseau carré de liens, chaque lien étant de section rectangulaire variable. - Réseau de cylindres (de façon à s'approcher de la structure des milieux fibreux généralement rencontrés dans les couches de diffusion des piles). Nous développons une modélisation de l'imbibition et du drainage quasi-statiques dans des milieux de mouillabilité homogène, soit hydrophobe (pour des gammes d'angle de contact comparables à ceux des milieux poreux rencontrés dans les PEMFC), soit hydrophile. Ensuite, nous montrons comment les règles d'imbibition et du drainage établies peuvent être utilisées pour modéliser l'évaporation lente dans de tels milieux par des approches de type réseau de pores. Des comparaisons entre le drainage et l'imbibition montrent une influence tout à fait significative de la mouillabilité sur la saturation à la percée, la percée étant atteinte beaucoup plus tôt dans le cas hydrophile. Cette influence est également très nette lorsqu'on compare les distributions des phases lors de l'évaporation ou les temps de séchage, le milieu hydrophile séchant plus rapidement que le milieu hydrophobe. Ces temps sont caractérisés à partir d'une étude statistique en fonction de la taille du réseau. Le cas de milieux de mouillabilité hétérogène comprenant une région hydrophobe et une région hydrophile est également considéré. L'implication des résultats sur la problématique de la gestion de l'eau dans les piles à combustibles est discutée.