Etude d'un stack de pile à combustible PEMFC par modélisation CFD 3D

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : CLIMAT, ENVIRONNEMENT ET ÉCONOMIE CIRCULAIRE, ÉNERGIES RENOUVELABLES, MOBILITÉ DURABLE et HYDROCARBURES RESPONSABLES.

L’engagement d’IFPEN en faveur d’un mix énergétique durable se traduit par des actions visant :

à gagner en efficacité énergétique ;
à réduire les émissions de CO2 et de polluants ;
à améliorer l’empreinte environnementale de l’industrie et des transports ;

tout en répondant à la demande mondiale en mobilité, en énergie et en produits pour la chimie.

Dans cet objectif, IFPEN développe des solutions permettant, d’une part, d’utiliser des sources d’énergie alternatives et, d’autre part, d’améliorer les technologies existantes liées à l’exploitation des énergies fossiles.

Etude d’un stack de pile à combustible PEMFC par modélisation CFD 3D

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. IFPEN concentre ses efforts sur l’apport de solutions aux défis sociétaux et industriels de l’énergie et du climat, au service de la transition écologique et de la décarbonation de l’industrie. Notamment, son action sur la thématique de la mobilité durable vise à développer des solutions pour des transports efficients, à faible impact environnemental et à coût limité. Dans ce cadre, IFPEN s’intéresse donc aux solutions de mobilité basée sur l’hydrogène.

En particulier, les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons appelées PEMFC s’imposent comme une solution pertinente pour la mobilité durable. La PEMFC présente de nombreux avantages mais présente aussi des contraintes de gestion et de contrôle, en particulier la gestion d’une correcte humidification de la membrane échangeuse de protons, nécessaire à son bon fonctionnement. A l’inverse, le phénomène de « Flooding », soit « d’inondation » de la membrane, est destructeur pour la pile et accélère son vieillissement, ce qui est préjudiciable pour la viabilité de cette technologie.

On souhaite donc maîtriser ce phénomène par une modélisation CFD 3D, à l’échelle d’une cellule puis à l’échelle du stack complet. L’étude des différents fluides circulant dans la pile à combustible ainsi que les réactions chimiques au sein de la pile se font à partir d’un outil de simulation CFD et d’un module intégré spécifiquement dédié aux PEMFC.

La modélisation CFD 3D vient en complément aux simulations 0D/1D déjà existantes à IFPEN et permet une synergie entre les deux approches par la prise en compte d’aspect 3D au sein de la PEMFC, ce qui permet in fine des optimisations de conception ou de contrôle.

C’est dans ce contexte qu’intervient ce stage, à savoir poursuivre le développement de la méthodologie de calcul et la modélisation CFD 3D d’une pile à combustible PEMFC (au niveau de la cellule puis au niveau du stack complet). Un premier apprentissage sur la thématique a permis de connaître et maîtriser l’état de l’art au niveau de la cellule ainsi qu’un premier niveau de modélisation.

Ce stage s’inscrit dans la continuité en s’intéressant à la modélisation au niveau du stack complet avec pour objectif une maîtrise des principaux paramètres nécessaire à la gestion de l’humidification de la PEMFC.

Le stage se déroulera de la manière suivante :

Prise de connaissance des méthodologies actuelles IFPEN.
Récupération des cas d’études précédemment traités et bibliographie sur le sujet du Flooding.
Simulation sur une cellule de PEMFC puis sur un stack complet.
Evolution et mise à jour de la méthodologie.
Variations paramétriques des paramètres les plus pertinents en vue de la maîtrise du phénomène de Flooding.

Profil recherché :

3^èmeannée d’école d’ingénieur à dominante Fluidique et/ou Thermique.

Connaissances en thermique et fluidique
Connaissances de la pile à combustible souhaitée.
Goût pour la simulation numérique CFD indispensable.
Connaissances du logiciel ANSYS Fluent est un plus.
Force de proposition et autonomie

Mots-clefs : Mécanique des fluides, CFD, Pile à combustible, Hydrogène
Durée et période du stage : 6 mois à partir de janvier 2024
Lieu du stage : IFP Energies Nouvelles à Rueil-Malmaison.
Une indemnité mensuelle sera versée au stagiaire (si non rémunéré par ailleurs).