Quelques problèmes thermiques dans le développement de la filière hydrogène Ph. Marty LEGI - Greth Collaborations: Nadia Caney – LEGI Patricia De Rango – Cristallographie Grenoble Serge Chaudourne – CEA-Grenoble Michel Latroche – LCMTR Thiais Khaled Hassouni – LIMHP Villetaneuse Supprimer les animations ds tt le ppt

Sommaire Présentation de quelques acteurs grenoblois dans le domaine de l’hydrogène Le refroidissement du cœur de pile d’une PEMFC Le stockage réversible dans les hydrures métalliques

9 équipes dont « Transferts de Chaleur et de Masse » Le LEGI : UMR INPG-UJF-CNRS 9 équipes dont « Transferts de Chaleur et de Masse » Spécialité : Mécanique des Fluides et disciplines associées Le Greth : laboratoire du CEA-Grenoble, Objectifs : thermique du Bâtiment, des transports et des procédés industriels Le CRETA: Unité de Services CNRS Objectifs: développement de matériaux de stockage de H2 Reprendre la figure de Rochester avec la photo de l’aglo grenobloise ou bien voir sur internet et metre des photos d greth CRETA etc …; Le Laboratoire des piles à Combustibles: Laboratoire CEA-Grenoble Objectifs: développer les composants d’un système PAC

Quelques exemples de réalisations Taxi Partner de chez Peugeot (2001) pile de petite puissance (5,5kW au maximum) hydrogène comprimé à 300 bar 140km d'autonomie 100km/h de vitesse de pointe 5 places Prototype H2O de chez PSA (2003) pile de 5,5 kW hydrogène est fourni par du borohydrure de sodium 300 km d'autonomie 95km/h de vitesse de pointe Voir la dernière annonce de PSA sur son site et le lien avec CEA Grenoble

Compararaison moteur thermique /PAC pour une puissance à l’arbre de 60 KW Moteur thermique (rendement 30 %) : Puissance arbre : 60 kW Puissance à évacuer : 140 kW 85 KW à l’échappement 10 KW convection-raynmt 45 KW@ 105 °C dans le circuit de refroidmt PEMFC (rendement 50 %) : Puissance arbre : 60 kW Auxiliaires (gestion des réactifs, etc…): 10 KW 70 KW @85 °C dans le circuit de refroidmt + de puissance - de potentiel d’échange

Les solutions écoulement monophasique (liquide, gaz) : inhomogénéité des cellules caloducs : fort coefficient d‘ échange mais pb du refroidissement de la source chaude refroidissement par mise en ébullition

Illustration de l’efficacité du changement de phase

Particularités des mini-canaux : Influence du confinement Dh < 3 mm Dh > 3 mm  Améliore le transfert thermique en venant amincir le film liquide en paroi  Déclenche l’assèchement en paroi plus rapidement Mettre les canaux verticaux Introduire le nbre de confnmt Co le définir Donner les ordrede grandeur des parametres d’une PAC : debit massique, flux,

Nombre de confinement: Forces de TS / Archimède Exemple du HFE7100: s=0.013 rl=1413 kg/m3 rv=10 kg/m3 Dh=1 mm Co=1

Pour une cellule de PEMFC: Ordres de grandeur Pour une cellule de PEMFC: Puissance : 500 W Surface : 4 dm2 Flux : 10 kW/m2 Débit : 5 g/s Pour un canal de Dh=1 mm: Relo=10 Rev=500

Bibliographie: les pertes de pression diphasiques 140000 Baroczy 120000 Lockhart Friedel Monophasique Martinelli 100000 vapeur 80000 gradient de perte de pression (Pa/m) Tran 60000 40000 Homogène 20000 Mishima 1993 Est-ce que ttes ces correlations st fournies pour Dh=1mm ou bien c’est nous qui les avons extrapolées ? Donner les dates de ces correlations (surtout Mishima qui revient plus tard) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 titre x Monophasique Les corrélations classiques : R113; G=200 kg/m²/s, flux=10kW/m², Dh=1 mm liquide

Bibliographie: le transfert thermique diphasique 5000 Zhang 4500 Dh=0,78-6mm 4000 3500 Liu & Winterton Kandlikar Dh=0,4-2,9mm Dh = 2,9-32mm 3000 Coefficient de transfert de chaleur (W/m²/K) 2500 Tran 2000 Dh= 2,4-2,9mm Monophasique 1500 Lazarek & Black vapeur 1000 Dh=3,1mm Agostini Même question que page precedente avec 3 mm (pourquoi 3 mm plus qu’autre chose ?) Pourquoi avoir mis Bo sur le graphe ? Le virer Mettre monophasique en bleu comme precedente 500 Dh= 2,01mm Monophasique 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 liquide x titre massique Les corrélations les plus classiques: (R113; G=200 kg/m²/s, flux=10 kW/m², Dh=3 mm)

Objectifs Amélioration de la compréhension des mécanismes d’ébullition dans un mini-canal: Évaluation de la perte de pression par frottement Mesure des coefficients d’échange globaux et locaux Identification de corrélations et modèles adaptés aux mini-canaux

Etude en monocanal Plaque de plexiglas Joint torique Plaque en aluminium Plaque de plexiglas Joint torique Rainure pour un thermocouple Emplacement d’un capteur de pression HFE donner les caractéristiques: tension supeficielle, Psat Tsat, raul , rauv nombre Co

Banc d’essai

Section d’essais

Visualisations des configurations d’écoulement Retrouver le second film et compacter avec le trnsparent suivant Régime à bulles Régime à bouchons

Apport de cette étude préliminaire Régime alterné de bouchons liquides et de poches de vapeur les configurations d’écoulements diphasiques « classiques » sont estompées par le confinement Renforcer cette conclusion

Section d’essais multicanaux Dimensions 2,6*0,5 mm (Dh=0.78 mm) Donner le Dh de 2,6 *0.5 40 canaux droits 28 canaux en serpentin Objectifs:

Les moyens de mesure Thermocouples situés en paroi dans des rainures carrées de 0,3mm de côté Thermocouple Film chauffant 0,5 mm 2,6 mm 1 mm

Le banc d’essais

Les conditions expérimentales Titre en entrée : 0 ou valeur non nulle imposée Débit massique/canal : 0.2 g/s Flux : 1-8 kW/m2 Re lo : 1-10 par canal Re vo : 30-500 par canal

Les pertes de pression

Modèle homogène Modèle de Mishima (1993)

Mesurée par les thermocouples Le transfert thermique Déterminé à partir du bilan thermique avec l’hypothèse d’uniformité de flux Mesurée par les thermocouples Température locale du fluide déduite des conditions d’entrée et de sortie  11 valeurs locales

Représentation en titre

Représentation en vitesse: 3 zones d’ébullition distinctes Ajouter le graphe montrant les memes points mais avec x en abscisse pour illustrer le chaos Zone 1 Zone 2

Résultats de cette étude : mise en évidence d’une vitesse critique d’assèchement Vérification sur les résultats d’Agostini (2003): Donner la date de la thèse d agostini  jc, Agostini = 3 m.s-1

Conclusion de cette partie Les pertes de pression en mini-canaux semblent bien prédites par le modèle homogène mais aussi par celui de Mishima (pourtant à phases séparées) L’étude des transferts thermiques fait apparaître une vitesse du cœur gazeux responsable d’un assèchement de la paroi En cours: études sur R113 visualisations compréhension du mécanisme de déstabilisation de la CL liquide en paroi

Le stockage d‘ H2 dans un réservoir d’hydrures Normes du DOE : Autonomie de 500 km soit 5 kg de H2 63 kg.m-3 6,5 % de masse de H2 minimum soit 100 kg de poudre environ 5 à 8 kg de H2 Remplissage < 5 minutes Quelques matériaux de stockage : hydrures métalliques matériaux carbonés

HYDRURES METALLIQUES : un exemple de réalisation (1997) PEMFC 20 kw (60% rendement) moteur asynchrone à aimant permanent 45 kw 100 kg d ’hydrures 100 km/h 250 km d ’autonomie 15

Modèles simplifié de l’interaction Métal/Hydrogène Principe d'absorption dans les hydrures métalliques Modèles simplifié de l’interaction Métal/Hydrogène M + x/2 H2  MHx + chaleur 12

Etude de 2 types de matériaux : Magnésium (Grenoble, Lab. de Cristallographie) Performance théorique: Performance effective : environ 5 % LaNi5 modifié (Thiais, LCMTR & CEA-Grenoble): Performance effective : environ 1 %

ordres de grandeur thermiques Enthalpie d’adsorption de H2 dans LaNi5 : environ 107 J /kg H2 Rappel : PCI : environ 10 8 J / kg Puissance pour un temps de chargement de 5 kg de H2 en 8 mn : 100 KW

Courbes P-C-T : exemple du LaNi5 Pression d’équilibre Peq (bar) x à x et T donnés: Si P > Peq  ABSORPTION Si P < Peq  DESORPTION Taux d’hydruration

Cinétique d’absorption: exemple de Mg Justifier pourquoi l’augmentation de T est défavorable

Optimiser le temps et les capacités de stockage du réservoir La vitesse d’absorption est (entre autres) fonction de T, P, de la méthode de broyage, de l’histoire de la poudre Il est nécessaire de prédire et de contrôler la température dans le réservoir Objectifs Optimiser le temps et les capacités de stockage du réservoir Uniformiser ce transparent Méthode Approche expérimentale et numérique

Expérience du CRETA 160gr de Mg = 8gr de H2

Expérience du CEA LaNi5

Mousse d’aluminium

code Volumes Finis Fluent Approche numérique : code Volumes Finis Fluent Equations à résoudre : Champ de vitesse : résolution de Navier Stokes en compressible et instationnaire dans un matériau poreux Champ de température : résolution de l'équation d'énergie avec sources de chaleur (>0 en adsorption , <0 en désorption) Prise en compte de la loi de cinétique d’adsorption

Existence d’un front de réaction H2 t =0,05 s Rouge : vitesse de réaction élevée t =176 s Bleu: vitesse de réaction faible t =734 s

Illustration sur un exemple 3D H2

Contours d’hydrogénation

Contours de Température

Confrontation expérience/calcul sur le Magnésium 59 Nl 55 Nl 300°C 1 MPa Expérimental Numérique La valeur de la cond. Therm. Effective est mal connue + résistances de contact (gonflement de la poudre…)

Mesure de la conductivité thermique Expérience inspirée de J. Kapischke , Jobst Hapke (1998) Univ. Techn. Hambourg Modulation sinusoïdale de T autour d’une température moyenne  mesure du déphasage de TC placés à des rayons différents

Directions à suivre connaissance insuffisante de la conductivité thermique :  besoin d’expériences - Besoin d’affiner les lois de cinétique:  notamment aux faibles écarts P-Peq résistance de contact à prendre en compte aux parois :  évolution au cours de la réaction inconnue diminution du temps CPU :  modèles 1D & 2D (Matlab) en cours de développement