Two-phase flows at small scale – Application to proton exchange membrane fuel cell cooling (PEMFC)

Écoulements diphasiques aux petites échelles – Application au refroidissement d’une Pile à Combustible (PEMFC)

Ulrich Soupremanien (1, 2)

1 LEGI - Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels [Grenoble]
2 LEPMI - Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces

This study is devoted to boiling flows in mini-channels of small dimensions (hydraulic diameter between 0.727 mm and 1.45 mm). The objective was the enhancement of the thermal performance of PEM fuel cells. In our study, Forane 365 HX was selected to be used as the working fluid for the purpose of cooling. In comparison with single-phase flows, an important amount of energy can be extracted in forced boiling conditions while keeping a moderate wall temperature gradient. We especially studied the influence of the aspect ratio and hydraulic diameter We found that the heat flux necessary to the onset of nucleate boiling or the critical heat flux are dependent on the geometric dimensions of the mini-channel in our experiments. For the saturated boiling flow conditions, the pressure drop is also related to the channel cross-section area whereas the heat transfer coefficients seem to be nearly independent of the mini-channels.

Cette thèse est consacrée à l’étude des écoulements internes en ébullition dans des canaux de petites dimensions (diamètre hydraulique compris entre 0,727 mm et 1,45 mm). L’application visée est le refroidissement des piles à combustible de type PEMFC. Pour cette étude, le fluide utilisé a été le forane 365 HX. Comparativement aux écoulements monophasiques, une quantité élevée d’énergie peut être extraite des parois en limitant le gradient thermique pariétal en condition d’ébullition, lorsque le fluide se trouve à saturation. Nous avons centré notre étude sur l’influence du rapport d’aspect et du diamètre hydraulique. Nous avons constaté que les valeurs de flux thermiques conduisant à l’apparition de l’ébullition (ONB) ou à l’assèchement du liquide en paroi (CHF) dépendent de la géométrie du mini-canal. Les évolutions des pertes de pression en régime diphasique sont aussi influencées par ces données géométriques tandis que les coefficients d’échange évoluent peu avec celles-ci.

Mots clés: Boiling; mini-channels; aspect ratio; ONG; CHF; pressure drop; heat transfer coefficient; flow pattern; forane

Mots clés: Ebullition; mini-canaux; rapport d’aspect; ONB; perte de pression; coefficient d’échange de chaleur; configuration d’écoulement

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Thermique [physics.class-ph]

Ulrich Soupremanien. Écoulements diphasiques aux petites échelles – Application au refroidissement d’une Pile à Combustible (PEMFC). Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Grenoble INP, 2010. Français. ⟨NNT : 2010INPG0150⟩. ⟨tel-01090384⟩