Cette thèse présente une contribution à l’étude des transferts d’eau au sein des piles à combustible de type PEMFC, un aspect clé de cette technologie. Une approche de simulation numérique est développée en couplant un modèle de type réseau de pores dans la couche de diffusion (DM), une approche mixte continue –réseau de pore dans la couche microporeuse (MPL) et une modélisation par compartiments dans la couche active. L’approche développée prend en compte les transferts couplés de chaleur et d’eau via notamment la modélisation des phénomènes de changement de phase dans la DM et la MPL (évaporation et condensation). Dans une première partie, nous étudions le cas où l’eau migre dans l’assemblage MPL-DM directement en phase liquide. L’impact de la variation de pression dans la phase gazeuse sur la distribution de la phase liquide est étudié. L’épaisseur optimale de la MPL est également étudiée. Dans une seconde partie, nous étudions des situations où l’eau se forme par condensation dans la couche de diffusion. Nous étudions tout d’abord l’impact des propriétés de la couche de diffusion et de la MPL sur le diagramme de condensation. Ensuite nous analysons l’impact de la formation de l’eau liquide sur la distribution de courant locale. Enfin, l’impact de la mouillabilité sur les figures de condensation est étudié. Cette dernière étude est vue comme un premier pas vers l’étude des mécanismes de dégradation dans le régime de condensation. / This thesis is a contribution to the study water transfers within PEM fuel cell, a key element of this technology. A numerical simulation tool is developed coupling a pore network model in the gas diffusion layer (DM), a mixed continuum – pore network approach in the microporous layer (MPL) and a model by compartments in the catalyst layer. The developed approach takes into account the coupled heat and water transfers through the modeling of phase change phenomena (evaporation – condensation) in the DM and in the MPL. In the first part, we study the case where water migrates into the MPL-DM assembly directly in liquid phase. The impact of gas pressure variation on liquid phase distribution is studied. The optimal thickness of MPL is studied too. In the second part we study situations where liquid water essentially formed by condensation in the diffusion layer. We first study the impact of DM and MPL properties on the condensation diagram. Then we analyze the impact of liquid water formation on the local current density distribution. Finally the impact of wettability modifications on the liquid water patterns is studied. This last study is considered as a first step toward the study of degradation mechanisms in the condensation regime.

Afin de pouvoir utiliser les piles à combustible du type PEMFC dans une application automobile, leur coût doit être diminué et leur durée de vie doit être augmentée. De nombreux résultats montrent que la gestion de l'eau dans les piles PEMFC est essentielle sur ces aspects et qu’une meilleure maitrise contribuera a développer des piles plus performantes. La couche active cathodique (CCL, Cathode Catalyst Layer) est le lieu de production de l'eau ce qui en rend l'optimisation importante pour assurer une bonne gestion de l'eau. Dans ce travail, la méthode réseau de pores a été adaptée pour modéliser le transport diphasique dans la structure poreuse de la CCL. Dans l'état de l'art actuel, le modèle développé est le seul permettant d’analyser l'effet des proprietes locales de la CCL (structure, mouillabilite…) sur les mecanismes de transport diphasique. Cet outil de compréhension constitue également une base pour proposer des améliorations de la CCL afin d'améliorer les performances des piles. Les algorithmes d'invasion développés ont été analysés d'une façon détaillée. Le transport fluidique (gaz et liquide) est couplé avec le transport des charges (électrons et protons) par un modèle de réaction électrochimique. Les mécanismes de capillarité, de diffusion gazeuse et d’evaporation sont integres au modele afin d'avoir une représentation la plus complète possible du fonctionnement de la CCL. La description de la structure poreuse par un réseau de pore régulier, l'algorithme d'invasion de l'eau liquide et le modèle de la diffusion des gaz ont été validés par des comparaisons avec des résultats expérimentaux de la littérature ou spécifiques de ce travail. Le modèle est ensuite exploité pour analyser l'effet des paramètres de la CCL tels que la mouillabilité et la taille des pores sur les performances de la couche active. Les résultats permettent d’analyser de premieres idees de modifications de la CCL pour ameliorer la gestion de l’eau et les performances des PEMFC. / In order to use PEM fuel cells in an automotive application, their cost must be reduced and their lifetime must be increased. Many results show that water management is a critical issue in PEMFC optimization. The water is produced in the cathode active layer (CCL) which makes the optimization of this component very important to ensure a better water management in the PEMFC. In this work, the pore network method has been adapted to model the two-phase transport in the porous structure of the CCL. Considering the state of the art, this is the only model developed to analyze the effect of local properties of the CCL (structure, wetting ...) on the two-phase transport mechanisms. This model is proposed as a scientific tool to help understanding the fundamentals behind the transport phenomena inside the CCL and also to help in the conception of the future CCL. The liquid invasion algorithms developed in this work were analyzed in details. The fluids transport (gas and liquid) is coupled with the charges transport (electrons and protons) using an electrochemical reaction model. The capillary driven liquid transport, the gas phase diffusion and the evaporation process are all integrated into the model in order to have the most possible complete description of the CCL. The description of the porous structure by a regular network, the liquid invasion algorithm and the gas diffusion model all have been validated by comparisons with experimental results from literature or specific work . The model is then exploited to analyze the effect of parameters such as the CCL wettability and pore size distribution on the performance. The results allow analysis of initial ideas that can help in the conception of the CCL in order to improve the water management and the performances of the PEMFC.

Le stockage géologique du dioxyde de carbone (CO2) est une des options envisagées à moyen terme pour limiter les émissions de gaz à effet de serre. Or, le CO2 n'est pas un gaz inerte et aura tendance à acidifier l'eau en place dans les sites de stockage. Cette acidification de l'eau est alors susceptible de modifier la structure de cette roche ainsi que les propriétés de transport des espèces chimiques. Le but de cette étude est de quantifier l'impact du transport réactif sur la répartition d'une espèce chimique et sur la modification de la structure du milieu poreux de l'échelle du pore à celle du réservoir. Nous nous sommes focalisés dans cette étude sur le transport réactif monophasique d'une espèce dissoute aux temps longs. Pour ce faire, nous avons opté pour une approche multi-échelles considérant successi- vement (i) l'échelle locale, où les phénomènes d'écoulement, de réaction et de transport sont connus ; (ii) l'échelle du pore, où le transport réactif est représenté par des équations issues de l'écriture moyennée des équations locales ; (iii) l'échelle de Darcy (ou échelle de la carotte), où la structure de la roche est retranscrite par un réseau tridimensionnel de pores interconnectés par des canaux ; et (iv) l'échelle du réservoir, où les phénomènes physiques, au sein de chaque maille constituant le modèle réservoir, sont pris en compte par l'introduction de coefficients macroscopiques issus de l'étude de ces même phénomènes à l'échelle de Darcy, comme par exemple la perméabilité, la vitesse de réaction apparente, la vitesse apparente du soluté et sa dispersion.

La dispersion dans des milieux poreux homogènes (empilements de grains) a été étudiée par des mesures par résonance magnétique nucléaire (RMN) et des simulations de marches aléatoires dans un réseau de pores. La RMN permet de mesurer l'ensemble des déplacements des molécules d'eau durant un temps tΔ, et d'obtenir propagateurs et moments caractéristiques. L'évolution temporelle du second moment σ (σ2 ∝ taΔ) permet de caractériser de manière précise le régime de dispersion des molécules (Gaussien ou anormal). Des mesures pour des écoulements de 15 < Pe < 45 dans un empilement de grains de 30μm ont permis d'observer une dispersion anormale faiblement super-dispersive (a = 1.17) en écoulement saturé et une augmentation progressive du caractère super-dispersif avec la diminution de la saturation en eau (jusqu'à a = 1.5 pour 42 %)lors d'une co-injection stationnaire eau-huile. En écoulement saturé, les propagateurs et courbes de percée sont quasi-gaussiennes, tandis qu'en écoulement insaturé, les propagateurs sont asymétriques et les courbes de percée présentent des trainées aux grands temps. Dans ces conditions, on montre que la dispersion anormale observée est mieux décrite par des lois stables de Lévy que par des lois gaussiennes. Des simulations de marche aléatoire ont été réalisées dans un réseau de pores extrait d'un milieu poreux réel par imagerie microscanner.Elles permettent d'obtenir les mêmes informations que la RMN, les marcheurs se déplaçant par advection et diffusion. Ces simulations montrent l'existence d'une stagnation non observée dans les expériences, montrant que la simplification du réseau poreux est trop importante et empêche de reproduire certains aspects du champ de vitesses détecté par la RMN. Toutefois, l'évolution temporelle du second moment a également un caractère super-dispersif à temps long à 100 % de saturation

Le contrôle thermique des composants électroniques embarqués dans les engins spatiaux est souvent assuré par des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire (Loop Heat Pipe (LHP) ou Capillary Pumped Loop (CPL)). La présente étude est centrée sur les évaporateurs des LHP. Ils sont composés principalement d’un bâti métallique, d’une mèche poreuse et de cannelures. Le milieu poreux est initialement saturé en liquide. La charge thermique à évacuer est appliquée sur le bâti entraînant la vaporisation du liquide au sein de la mèche. La vapeur est ensuite récoltée au sein des cannelures pour être évacuée. L’étude est effectuée sur une cellule unitaire de l’évaporateur. Dans le but d’étudier les transferts de masse et de chaleur, un modèle de réseau de pores 3D dit mixte a été développé. Les champs de pression et de température sont calculés à partir des équations macroscopiques tandis que la capillarité est gérée à l’aide d’une approche réseau de pore classique. L’un des avantages d’une telle formulation est de pouvoir accéder à la répartition des phases liquide et vapeur au sein de l’espace poral du milieu poreux. Il a ainsi été mis en évidence qu’une zone diphasique (zone où le liquide et la vapeur coexistent) se met en place pour une large gamme de flux lorsque la vapeur apparait dans la structure capillaire. Cette zone diphasique est localisée sous le bâti métallique et est corrélée avec les meilleures performances thermiques de l’évaporateur. Cette observation diffère fortement de l’hypothèse souvent considérée de la présence d’une zone sèche dans cette région. Trois positions différentes de cannelures ont été étudiées. Il a ainsi pu être mis en évidence que la plus large gamme de flux, pour laquelle les performances de l’évaporateur sont les meilleures, est obtenue lorsque les cannelures sont usinées à la surface extérieure de la mèche. Toujours dans le but d’améliorer les performances thermiques de l’évaporateur, une étude paramétrique a été menée pour mettre en évidence les paramètres qui influencent positivement la conductance de l’évaporateur. Finalement, l’étude de l’influence d’une mèche biporeuse/bidispersée, c’est-à-dire d’un milieu poreux caractérisé par deux tailles de pores/liens différentes, a été menée. La distribution des phases liquide et vapeur au sein de la structure capillaire bidispersée est différente de celle d’un milieu mono-poreux du fait des chemins préférentiels créés par les larges pores. Par ailleurs, l’analyse thermique a montré qu’un tel milieu poreux permet de réduire considérablement la température du bâti ainsi que d’augmenter les performances thermiques de l’évaporateur. Un deuxième modèle basé sur une approche continue a été développé. Cette méthode utilise l’algorithme IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) et est couplé à la résolution du champ de température avec changement de phase. Ce type de résolution permet d’accéder à un champ de saturation. Les résultats ainsi obtenus sont en bon accord avec ceux prédits par le modèle réseau de pores mixte. Le modèle continu, moins gourmand en temps de calcul, permet d’envisager des simulations sur une plus grande partie de l’évaporateur. / The thermal control of electronic devices embedded in spacecraft is often carried out by capillary twophase loop systems (Loop Heat Pipe (LHP) or Capillary Pumped Loop (CPL)). This thesis focuses on the LHP evaporators. They mostly consist of a metallic casing, a porous wick and vapour grooves. The porous medium is initially saturated with liquid. The heat load is applied at the external surface of the casing inducing the vaporisation of the liquid within the wick. The vapour is then evacuated thanks to the vapour grooves. A unit cell of the evaporator is studied and corresponds to our computational domain. A so-called 3D mixed pore network model has been developed in order to study the heat and mass transfers. Pressure and temperature fields are computed from macroscopic equations, while the capillarity is managed using the classical pore network approach. The main advantage of such formulation is to obtain the liquid-vapour phase distribution within the porous medium pore space. The work highlights that a two-phase zone (characterized by the coexistence of the liquid and the vapour) exists for a large range of fluxes when vaporisation takes place within the capillary structure. This twophase zone is located right under the casing and is positively correlated with the best evaporator thermal performances. This result differs from the often made assumption of a dry region under the casing. Three different groove locations are tested. This investigation highlights that evaporator thermal performances are the best over a large range of fluxes for grooves manufactured at the external surface of the wick. In complement, a parametric study is performed to highlight parameters which impact positively the evaporator thermal performances. Finally, a biporous/bidispersed wick, i.e. a wick with a bimodal pore/throat size distribution, is studied. The liquidvapour phase distribution within the capillary structure is different from the one for a monoporous structure due to preferential vapour paths created by the large throats and pores-network. Moreover, the thermal analysis shows that such a porous medium permits to reduce considerably the evaporator wall temperature and to increase the evaporator thermal performances. A second model is developed based on a continuum approach. This method uses the IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) algorithm coupled with the heat transfer with phase change. Results are in good agreement with those predicted by the mixed pore network model. The continuum model, requiring less computing time, should allow considering larger sub domains of the evaporator.

L'étude des phénomènes fondamentaux de<p>transport et de thermodynamique apparaissant lors de l'évaporation<p>en milieu poreux permet l'investigation d'applications pratiques<p>variées. Dans ce travail, nous développons des modèles fondamentaux<p>d'évaporation en milieu poreux que nous appliquons ensuite au<p>séchage en lit fluidisé de deux matériaux granulaires poreux :le<p>PVC et la levure.<p><p>Les modèles mis au point sont réalisés suivant une approche<p>multiéchelle. Nous nous intéressons tout d'abord aux phénomènes se<p>déroulant à l'échelle d'un pore. Les modèles développés à cette<p>échelle sont ensuite exploités dans le cadre d'une étude à l'échelle<p>d'un grain poreux. Le couplage des modèles de grain avec un modèle à<p>l'échelle du réacteur permet alors l'étude des applications<p>industrielles.<p><p>A l'échelle du pore, nous étudions les phénomènes de transport dans<p>un capillaire initialement rempli de liquide qui s'évapore vers<p>l'atmosphère ambiante. L'objectif est de prédire le taux<p>d'évaporation dans cette configuration. Nous nous intéressons<p>successivement à la modélisation du transport de matière par<p>convection-diffusion en phase gazeuse et la modélisation de l'impact<p>de films liquides adsorbés à la paroi du capillaire sur le transport<p>de matière. Ces deux modèles sont confrontés à des expériences<p>d'évaporation en capillaires cylindriques visualisées à l'aide de<p>deux dispositifs optiques. Le premier offre un suivi d'ensemble au<p>cours du temps du capillaire, alors que le second, un interféromètre<p>de Mach-Zehnder, permet une visualisation locale de la région<p>entourant le ménisque.<p><p>Le modèle portant sur le transport de matière par<p>convection-diffusion mène à la définition d'un critère non<p>dimensionnel permettant d'évaluer si la convection dans la phase<p>gazeuse dans le capillaire doit être prise en compte pour évaluer le<p>taux d'évaporation. Le modèle de film permet de prédire l'impact de<p>celui-ci sur l'évaporation en présence d'un gaz inerte lorsque les<p>mouvements convectifs en phase gazeuse sont négligeables. La<p>confrontation de ce modèle avec les profils d'épaisseur des films<p>obtenus à l'aide de interféromètre de Mach-Zehnder ne permet pas de<p>valider le modèle, et ce, suite à une trop grande incertitude sur<p>l'évaluation des interactions entre la paroi et le liquide.<p><p>A l'échelle d'un grain, nous développons un modèle discret par<p>réseau de pores et deux modèles continus pour tenter de prédire le<p>taux d'évaporation et la distribution des phases dans le milieu<p>poreux. Le modèle par réseau de pores prend en compte les transports<p>de matière par diffusion en phase gazeuse, par convection dans les<p>pores remplis de liquide et par convection dans les films liquides.<p>Les effets visqueux en phase liquide sont également modelisés. Pour<p>la prise en compte de ces derniers, nous montrons l'importance de<p>l'usage d'un algorithme approprié. Nous évaluons ensuite au travers<p>de trois nombres sans dimensions l'impact du transport par film et<p>des effets visqueux sur l'évaporation et la distribution des phases.<p>Cette analyse dimensionnelle est ensuite appliquée à l'étude de<p>réseaux de pores pour lesquels la section des liaisons les<p>constituant est idéalisée par des polygones réguliers. Pour les<p>modèles continus après une vérification simplifiée de<p>l'applicabilité de cette démarche, nous développons deux modèles<p>simples. Dans les deux modèles, l'étape de séchage à vitesse<p>constante est supposée limitée par le transport de matière externe<p>au grain. Le premier modèle, dit à front pénétrant, suppose que<p>l'étape de séchage à vitesse décroissante correspond à l'existence<p>d'un front d'évaporation qui s'enfonce dans la matrice poreuse. Le<p>second modèle, dit à surface d'échange variable, attribue cette même<p>étape du séchage à une diminution progressive de la surface<p>d'évaporation en surface du grain.<p><p>A l'échelle du réacteur, nous présentons deux modèles visant à<p>simuler deux types d'essais différents :le séchage en lit fluidisé<p>et la thermogravimétrie analytique. Ces deux modèles sont couplés<p>aux différents modèles à l'échelle de grain pour étudier le séchage<p>de PVC et de levure tant en lit fluidisé que lors des essais de<p>thermogravimétrie analytique.<p><p>Dans le cas du PVC, le modèle par réseau de pores ne peut pas être<p>appliqué de par la nécessité d'une trop grande puissance de calcul.<p>Au niveau des modèles continus, nous montrons que l'application du<p>modèle à surface d'échange variable permet de reproduire les courbes<p>de séchage expérimentales des essais en lit fluidisé.<p><p>Dans le cas de la levure, nous appliquons le modèle par réseau de<p>pores et le modèle à front pénétrant. L'utilisation du modèle par<p>réseau de pores nécessite une connaissance plus détaillée de la<p>structure poreuse des grains. Le traitement d'une analyse par<p>microtomographie nous permet d'obtenir un réseau de pores<p>expérimental. Celui-ci est utilisé pour montrer que la méthode de<p>caractérisation de la porosité par intrusion de mercure ne semble<p>pas adaptée à un matériau deformable comme la levure. Le même réseau<p>est utilisé pour simuler le séchage de grains de levure à l'aide du<p>modèle par réseau de pores. Les simulations sont réalisées sur des<p>réseaux équivalents à des coupes dans le solide. Le modèle par<p>réseau de pores et le modèle à front pénétrant permettent tous deux<p>de modéliser correctement le séchage de levure en lit fluidisé<p>moyennant l'ajustement de leurs paramètres ajustables,<p>respectivement la conductibilité des films liquide et la tortuosité.<p>Pour l'essai de thermogravimétrie, ils ne parviennent à approcher<p>que la première étape de celui-ci. Les avantages, défauts et<p>complémentarités de ces deux modèles sont discutés.<p><p>Nous évaluons ensuite l'impact du rétrécissement de la levure et des<p>types d'eau sur le séchage de ce matériau. Le rétrécissement est,<p>pour ce faire, mesuré à l'aide d'un stéréomicroscope. Ces premières<p>mesures, exploratoires, mènent à la définition d'un modèle empirique<p>de retrait du solide au cours de son séchage. En le prenant en<p>compte dans les modèles déjà appliqués à la levure, nous montrons<p>que le retrait a un impact significatif sur l'étape de séchage à<p>vitesse décroissante. Cet impact<p> peut cependant être masqué intégralement par la réévaluation<p>des paramètres ajustables des différents modèles. Finalement,<p>l'étude des types d'eau au travers d'un modèle simple appliqué à<p>l'essai de thermogravimétrie analytique montre que les types d'eau<p>ne doivent pas être pris en compte pour modéliser le séchage de<p>levure.<p><p>A l'issue de ce travail, nous disposons donc de modèles fondamentaux<p>d'évaporation en milieu poreux. Ceux-ci peuvent être appliqués à des<p>cas d'intérêt industriel, comme nous le réalisons pour le PVC et la<p>levure. Ils peuvent servir à améliorer la<p>compréhension de ces procédés. Ils représentent donc des<p>outils de choix pour la conception, le dimensionnement et<p>l'optimisation du séchage. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

En vue de contrôler les émissions de gaz à effet de serre, il est envisagé d’injecter du CO2 dans des réservoirs géologiques. Or le CO2 n'est pas un gaz inerte. En modifiant la composition chimique de l'eau in situ, il est à l'origine d'interactions roche/fluide. Ces réactions géochimiques impactent les propriétés d'écoulement. Aussi, pour s'assurer de la viabilité et de la pérennité du stockage, les opérateurs ont besoin de simulations tenant compte de ces écoulements réactifs. Cependant les paramètres de l'équation macroscopique de transport utilisée sont affectés par les réactions surfaciques. Or, ces spécificités dues au transfert de masse ne sont pas prises en compte actuellement. De même, la loi perméabilité-porosité (K-F) n’est estimée que semi-empiriquement. Le but de cette thèse a été de développer une méthode pour obtenir les coefficients macroscopiques précédents et les relations K-F, en résolvant les équations gouvernant les phénomènes à l'échelle du pore. Pour ce faire, nous avons utilisé l'approche réseau de pores. L'avantage du modèle réseau est qu'il prend en compte explicitement la structure tout en conceptualisant cette dernière à un ensemble de pores et de canaux à la morphologie simplifiée (sphères, cylindres). L'étude est basée sur deux changements d'échelles successifs : du local au pore, puis du pore à la carotte. Le problème de transport réactif est résolu pour des éléments basiques, analytiquement ou numériquement. Puis, en faisant appel aux solutions précédemment trouvées, le transport réactif est traité sur l'ensemble du réseau. Notre model fut validé par des observations sur micromodèles, puis à l'aide d'une expérience d'altération acide / The geological storage of CO2 is considered as an attractive option to reduce the greenhouse gas emissions in the atmosphere. CO2 is not an inert gas, however. Its dissolution in brine forms a weak acid that has the potential to react with the host rock formation. The induced pores structure modification impacts the flow properties. Thus, to ensure the viability and sustainability of CO2 storage, operators need simulations that take into account the specificities of reactive transport. However, the macroscopic coefficients of the reactive transport equation are modified from the values of an inert tracer by surface reactions. These specificities due to mass transfer are currently not considered. Similarly, the permeability-porosity (K-F) relationship is only estimated semi-empirically. The aim of this thesis was to develop a method to obtain the macroscopic coefficients and the K-F laws, by solving the equations governing the pore-scale phenomena. To do this, we used the Pore Network Modelling approach (PNM). The advantage of the PNM is that it explicitly takes into account the pore structure, while conceptualizing the latter to a set of pores and throats whose morphology is simplified into spheres or cylinders for instance. The study is based into two successive upscalings: from local-scale to pore-scale, then from pore-scale to core-scale. The reactive transport problem is solved for basic elements, analytically or numerically. Then, using the solutions previously found at the pore scale, the reactive transport phenomena are treated throughout the network. Our model was validated by observations on micromodels and by a comparison with an acid-induced alteration experiment