Mouillabilité des côtés du canal de distribution des gaz et mouillabilité de la GDL

Le comportement d’une goutte posée sur un solide dépend de sa taille. La longueur capillaire d’une goutte permet de déterminer si la gravité amincit la goutte ou si les forces de tension superficielle vont s’opposer à l’étalement de celle-ci. La longueur capillaire est définie par l’équation suivante [28] : l = γ LG 1.5 ρg

Avec

‒ γ LG : tension de surface liquide gaz [mN/m]

‒ ρ : masse volumique [kg/m3]

‒ g : accélération de la pesanteur [m/s²]

Lorsque la taille du système est plus petite que la longueur capillaire, ce sont les forces capillaires qui prédominent et les forces gravitationnelles peuvent être négligées. Une goutte plus grosse que la longueur capillaire est déformée par la gravité et s’étale. Au contraire, une goutte micrométrique semble échapper à la gravité et seules les forces de surface influencent sa forme. La longueur capillaire de l’eau est 2,7 mm [28].

Dans un écoulement de fluide, le nombre capillaire est utilisé afin de savoir si l’écoulement est dominé par les forces de tension superficielle ou par les forces de viscosité. Le nombre capillaire est un nombre sans dimension : Ca = vµ 1.6 γ LG

Avec

‒ v : vitesse [m/s]

‒ µ : viscosité dynamique [kg/(m.s)]

‒ γ LG : tension de surface liquide gaz [mN/m]

Pour les GDL utilisées dans les piles à combustible PEM et les régimes d’écoulements communément rencontrés, le nombre capillaire Ca est de l’ordre de 10-6 (Tableau I – 1). L’épaisseur de la GDL étant inférieure à la longueur capillaire, le transport de l’eau y est dominé par les forces de tension superficielle. D’autres éléments géométriques comme la tortuosité, la surface spécifique ou la porosité peuvent également avoir une influence sur les phénomènes qui se produisent à l’intérieur d’un milieu poreux.

Le caractère mouillant ou non mouillant d’une surface peut être amplifié par la texture ou la structure de la surface [33]. En effet, un solide hydrophobe le devient d’avantage lorsqu’il est rugueux, il devient « super hydrophobe ». De même, un solide hydrophile devient « super hydrophile » lorsqu’il est rugueux [29]. La Figure I – 9 montre que la mouillabilité peut être contrôlée par la rugosité du solide. Ainsi, en haut de la Figure I – 9, le solide hydrophile devient plus hydrophile encore et en bas de la Figure I – 9, le solide hydrophobe devient plus hydrophobe encore.
Dans le modèle de Wenzel, schématisé Figure I – 10 (a), les espaces inter-rugosité sont remplis de liquide, ce qui conduit à une forte adhésion de la goutte sur la surface. Le modèle de Cassie, schématisé Figure I – 10 (b), suppose quant à lui, que les espaces restent remplis de gaz. La goutte de liquide est ainsi en équilibre sur une surface composite solide/gaz, elle repose uniquement sur les rugosités.

Les GDL couramment utilisées dans les piles sont de marque SGL, Toray ou Grafit U dont l’épaisseur est comprise entre 180 µm et 325 µm et la porosité comprise entre 80% et 90% [4][15][26]. La distribution des tailles des pores et des gorges pour les GDL Toray 090 et SGL 10BC est reproduite Figure I – 11.
Les GDL sont produites sous la forme de tissus (« cloth ») ou de feutre (« paper »), comme illustré Figure I – 12. Une GDL peut également être superposée à une MPL (Micro Porous Layer), un autre milieu poreux ayant des tailles de pores plus petites. L’épaisseur de la MPL varie de 10 à 50 µm suivant les fabricants [4]. Lorsqu’elle est utilisée, elle est placée entre la couche catalytique et la GDL.
Les études portant sur le transport de l’eau liquide dans la GDL ont pour but de comprendre de quelle manière l’eau, produite au niveau des sites catalytiques, s’écoule au travers de ce milieu poreux.
La loi de Darcy est habituellement utilisée pour modéliser les écoulements dans des milieux poreux en faisant l’hypothèse de milieux continus. Cependant, la taille d’un volume élémentaire représentatif est supérieure à l’épaisseur de la GDL. La discrétisation de la GDL n’est donc pas suffisamment fine pour mettre en évidence certains phénomènes comme l’existence de chemins préférentiels ou les Haines Jumps décrits ultérieurement. L’utilisation de la loi de Darcy, pour les études numériques des GDL, est donc limitée [36]. On préférera l’approche en réseau de pores [36][37] ou encore les mécanismes d’invasion-percolation comme loi d’invasion du réseau [38][39]. L’approche en réseau de pores permet de décrire une large gamme de propriétés comme la pression capillaire, les coefficients de transfert de masse ou la perméabilité relative du milieu [40]. Un réseau de pores est composé de pores reliés entre eux par des gorges comme présenté sur la Figure I – 13. Cette figure montre une image en 3D d’un milieu poreux ainsi que son réseau de pores équivalent composé de pores et de gorges. Afin de reproduire au mieux la complexité d’un milieu poreux réel, un volume, une conductance, un rayon et une forme peuvent être affectés aux pores et aux gorges. La taille des pores peut également être distribuée de façon aléatoire [37][41]. Le réseau de pores est ensuite assimilé à un réseau de résistances équivalentes où chaque nœud représente un pore. La valeur de chaque résistance équivalente est déterminée grâce à la taille, le volume ou encore la mouillabilité du milieu poreux. Un bilan de flux sur chaque nœud permet ensuite d’obtenir l’inconnue cherchée (pression, concentration de chaque phase …) [34].
Lors de l’utilisation de l’algorithme percolation d’invasion, le réseau de pores est également assimilé à un réseau de résistances électriques équivalentes. Ces résistances sont déterminées uniquement à partir de la géométrie des pores. Le chemin de moindre résistance est ensuite calculé par l’algorithme à partir d’une condition initiale bien définie [42]. Ce mécanisme d’invasion-percolation est un processus itératif qui cherche à chaque étape la plus faible résistance afin de faire avancer le fluide.
Un diagramme, Figure I – 14, basé sur deux nombres adimensionnels, le nombre capillaire Ca et le ratio visqueux M permet d’évaluer les profils de déplacement des fluides dans le poreux [43]. Le ratio visqueux est définit de la manière suivante : M = µnw µw 1.7.

Anderson [31] définit la mouillabilité de la façon suivante : un système est hydrophile lorsque θ, l’angle statique de contact, schématisé Figure I – 7, est compris entre 0° et 60-75° ou hydrophobe lorsque θ est compris entre 180 et 105-120°. Sinon, le système est plutôt considéré comme neutre ou mouillant de façon intermédiaire.
Dans un milieu poreux hydrophobe, pour lequel l’eau est le fluide non mouillant, la figure d’invasion obtenue expérimentalement par Chapuis et al. [39] est présentée Figure I – 15. La Figure I – 16 présente, quant à elle, la figure d’invasion de l’eau dans un milieu hydrophile. L’eau y est alors le fluide mouillant. L’injection de l’eau dans un milieu hydrophobe et l’aspiration d’eau dans un milieu hydrophile conduisent aux mêmes figures d’invasion [39]. En effet, dans les deux cas, la phase non mouillante remplace progressivement la phase mouillante.
Chapuis et al. [18] ont montré numériquement, Figure I – 17, que l’angle de contact a une influence sur le remplissage du milieu poreux. La transition entre les deux motifs hydrophile ou hydrophobe ne se situe pas directement à l’angle 90° mais elle se profile lentement entre les angles 80° et 100°. Les motifs d’invasion, Figure I – 15, Figure I – 16, Figure I – 17 et Figure I – 18 sont bien différents si le milieu poreux est hydrophile ou s’il est hydrophobe.
Or dans la pile à combustible, la GDL doit permettre l’évacuation de l’excès d’eau mais doit également permettre aux gaz d’accéder aux sites catalytiques. Sur la Figure I – 18, le schéma de l’invasion d’eau liquide et du transport d’oxygène dans une GDL, décrit la difficulté pour l’oxygène de traverser la GDL lorsque celle ci est hydrophile. En effet, lorsque la GDL est hydrophile de façon homogène, l’invasion de l’eau forme un front compact empêchant l’accès du gaz à l’interface GDL/couche catalytique. Cependant, lorsque la GDL est hydrophobe, de larges régions restent accessibles à la phase gazeuse.
Lorsque la surface a une mouillabilité homogène, la phase non mouillante préférera les pores plus larges car la force nécessaire pour contrer l’énergie de surface défavorable à l’écoulement sera moins importante [7]. Cependant, le téflon (ou PTFE) utilisé pour rendre une GDL hydrophobe ne reste pas de façon homogène toute la durée de vie d’une pile [44]. Cette non-homogénéité du revêtement crée des zones plus hydrophiles, où l’eau circulera plus facilement que dans le reste de la GDL laissant ainsi des zones accessibles aux gaz. Le chemin choisi n’est donc pas forcément le plus large s’il est plus hydrophile car la pression capillaire sera moins importante. Ce chemin est appelé « chemin préférentiel ». Le régime d’écoulement est alors le régime, décrit précédemment, appelé « capillary fingering ».

Plusieurs études expérimentales ont montré l’existence de chemins préférentiels empruntés par l’eau au travers d’une GDL [4][5]. Le chemin emprunté par un fluide fluorescent au travers de la GDL est représenté Figure I – 19. Cette image obtenue par tomographie montre qu’autour d’un chemin préférentiel, quelques autres chemins se tracent. Cependant, lorsqu’une goutte apparait, ces autres chemins sont aspirés par succion capillaire vers le chemin principal. La loi de Laplace, équation 1.3 décrite section 2.2, permet d’expliquer ce phénomène. Ainsi lorsqu’une goutte grossit, son rayon de courbure augmente et la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur de la goutte diminue. Cette diminution de pression à l’intérieur de la goutte en formation entraine « l’aspiration » de chemins secondaires. Cette « aspiration » est schématisée Figure I – 20 où une goutte en train de grossir entraine la récession d’un chemin secondaire. Cet écoulement s’explique par le fait que le fluide se dirige vers la zone de plus faible pression qu’est devenue la goutte en grossissant.
D’autres études mettent également en évidence qu’une interconnexion entre deux chemins en compétition peut entrainer la récession de l’un d’eux comme schématisé Figure I – 20 [7][52][53]. Les chemins choisis par l’eau changent de façon intermittente grâce à ces interconnexions. L’eau préfèrera passer par les pores les plus grands lorsque la mouillabilité est la même. Cependant, lorsqu’une rupture du revêtement en téflon apparait, elle entraine une perte d’hydrophobicité. Cette zone deviendra le chemin préférentiel.
Il a été observé que la présence d’une MPL (MicroPorous Layer), un milieu poreux dont la taille des pores est plus fine que ceux présents dans la GDL, accroit considérablement les performances de la pile et stabilise la densité de courant d’une cellule [55][56]. Ces meilleures performances, observées in situ par Deevanhxay et al. [55], semblent être expliquées par le fait que la présence d’une MPL réduit le nombre de chemins empruntés pas l’eau et les stabilise, comme schématisé Figure I – 21. La présence d’une MPL permettrait également un contact plus proche et plus fin avec la couche catalytique, et diminuerait l’accumulation d’eau possible entre la GDL et la couche catalytique [56]. Ainsi, au travers de la GDL, plus de place est laissée pour l’accès des gaz à la couche catalytique.
Le nombre de chemins préférentiels empruntés par l’eau est variable : il dépend de la présence ou non d’une MPL. Lu et al. [4] ont observé qu’en l’absence de MPL l’eau a plusieurs chemins préférentiels ainsi que des chemins secondaires autour des chemins initiaux. Lorsque la MPL est présente, Figure I – 21, peu de chemins sont créés et le nombre de chemins secondaires est diminué.
La taille des pores d’une MPL est de l’ordre de 0.2 – 0.3 µm [57]. La pression capillaire calculée grâce à la loi de Laplace, décrite section 2.2, est représentée Figure I – 22. Ainsi, si de l’eau liquide traverse une MPL avec des tailles de pores de l’ordre de 0.2 – 0.3 µm, la pression capillaire est d’environ 4.8 bar. Cette pression particulièrement élevée permet de soulever la question suivante : sous quelle forme, liquide ou vapeur, l’eau traverse-t-elle la MPL ?
Plusieurs études mettant en évidence l’existence de chemins préférentiels reposent essentiellement sur des observations. Lu et al. [4] ont ajouté un capteur de pression dans la cavité d’eau afin d’avoir une évolution temporelle de la pression couplée à des images. Ainsi, sur la Figure I – 23, le signal de pression dans la cavité d’eau est tracé en fonction du temps. Chacun des pics de pression correspond à l’apparition d’eau à la surface de la GDL. Ce signal de pression permet donc d’obtenir des informations supplémentaires.
Pour que l’eau produite au niveau des sites catalytiques se déplace dans la GDL hydrophobe, il est nécessaire d’appliquer une pression positive afin de forcer l’eau à pénétrer dans ce milieu poreux [44][58]. La pression minimum nécessaire à l’eau liquide pour traverser la GDL correspond à celle permettant à l’eau de traverser la plus petite ouverture du plus grand pore [46]. La Figure I – 24 présente le remplissage séquentiel de pores jusqu’à la percée liquide lorsque les pores ne sont pas interconnectés. La percée liquide à lieu lorsque la plus petite ouverture (n°5) du grand pore (Pore D) est franchie. C’est le diamètre du plus petit passage (n°5) du plus grand pore (pore D) qui dicte la pression minimale à atteindre avant la percée. L’évolution du signal de pression permettrait donc de suivre le remplissage d’une GDL.
Gostick et al. [32] [49] ont ainsi mis au point une méthode mesurant la pression capillaire entre l’eau liquide et l’air et ainsi déterminer la mouillabilité interne d’un milieu poreux [59][60]. Cette méthode, appelé Méthode de Porosimétrie Standard (MSP), est basée sur le principe d’équilibre capillaire.
Lorsque deux corps poreux partiellement saturés sont en contact, le système bouge vers un état d’équilibre où les pressions capillaires du liquide, dans les deux corps, sont égales. La méthode de Porosimétrie Standard exploite ce phénomène, en plaçant l’échantillon inconnu en contact capillaire avec un échantillon standard ayant une courbe « pression capillaire / saturation » connue. Lorsque le système est considéré à l’équilibre capillaire, la masse de chaque échantillon est déterminée. Connaitre la masse permet de déterminer la saturation de la phase mouillante, définie comme le
page 24 ratio du volume de liquide dans l’échantillon sur le volume total de vide de l’échantillon. La pression capillaire dans l’échantillon standard correspondant à sa saturation peut être déterminée grâce à la courbe connue de saturation. A l’équilibre, la pression capillaire dans l’échantillon connu est aussi égale à la pression capillaire dans l’échantillon inconnu. La courbe de saturation ainsi obtenue correspond au drainage de la phase mouillante dans l’échantillon inconnu. Un inconvénient de MSP est son incapacité à mesurer les saturations résiduelles. Des gouttes résiduelles peuvent être déconnectées de l’écoulement principal. Il n’est pas possible de différencier la masse de liquide des gouttes résiduelles de la masse d’eau de l’écoulement principal puisque l’évaporation du fluide principal et des gouttes résiduelles survient simultanément pendant la phase de désaturation de l’expérience.
Le graphique représentant les courbes de la pression à appliquer pour remplir et vider la GDL (Figure I – 25) permet de déterminer les aires A1 et A2 puis de calculer l’indice de mouillabilité IUSBM = log(A1 A2 ). Cet indice est défini par le Bureau des Mines comme étant une mesure de la mouillabilité mixte. Lorsque IUSBM est négatif, le milieu étudié est plutôt hydrophobe et lorsque IUSBM est positif, le milieu est plutôt hydrophile. En effet, lorsque le milieu poreux est hydrophobe, la pression capillaire |Pc| à appliquer pour que l’eau l’imbibe est plus importante (en valeur absolue) que celle nécessaire au drainage . L’aire A2 sera donc plus grande que l’aire A1 et l’indice de mouillabilité IUSBM sera négatif.
Cette approche macroscopique proposée par Gostick et al. [49][32] et mesurant la pression capillaire dans l’ensemble du milieu poreux masque des informations sur le transport de l’eau au niveau du pore. En effet, la caractérisation des GDL est réalisée en écoulement stationnaire, à débit constant ou à pression constante. C’est pour cette raison que cette méthode n’est pas utilisée dans les travaux présentés dans cette thèse.

Ces évolutions de pressions évoquées dans le paragraphe précédant ont été analysées par Liu et al. [61]. Ils observent une augmentation de pression, reproduite Figure I – 26, associée à l’eau accumulée dans la GDL, jusqu’à une valeur maximale à partir de laquelle une goutte se forme à la surface de la GDL. La pression d’équilibre atteinte après une forte baisse de pression est liée à l’eau contenue constamment dans le milieu poreux. Cette accumulation de pression avant la formation d’une goutte conduit à un transport éruptif de l’eau. Il a été mis en évidence dans la pile à combustible par Manke et al. [16] à l’aide de mesures réalisées à l’aide d’un synchrotron à rayons X. Ils montrent ainsi, Figure I – 27, que malgré une densité de courant constante, et donc une production d’eau constante par réaction électrochimique, le volume d’eau arrivant dans les canaux de distribution des gaz n’est pas constant (courbe bleue en haut Figure I – 27). La quantité d’eau à deux autres endroits de le GDL n’est pas non plus constante (courbes rouge et verte en bas Figure I – 27). Le transport éruptif a lieu aussi bien dans le milieu poreux qu’à la sortie de celui-ci.
Cet écoulement instationnaire est également appelé « Haines Jump ». En effet, ce saut de l’interface eau/air à l’échelle d’un pore, associé à une variation de pression, a été mis en évidence dans les sols par Haines en 1930 [62].
Ces évènements d’invasion sont donc marqués par des sauts rapides de pression capillaire. Ces sauts rapides de pression reflètent une détente de l’interface eau/air due aux effets capillaires, visqueux, à la gravité ou aux forces d’inertie. Ces effets peuvent aussi impliquer une redistribution d’un volume liquide aux ménisques voisins [63]. Moebius et al. [63] ont montré que les amplitudes de variation de pression capillaire sont liées aux dimensions des pores envahis et des gorges des pores voisins. Ce sont ces dimensions qui définissent les nouvelles positions d’équilibre des ménisques. Ces déplacements d’eau et ces variations de pression ont été montrés expérimentalement dans des capillaires sinusoïdaux hydrauliquement couplés [64]. La Figure I – 28 présente le milieu poreux composé de capillaires sinusoïdaux étudiés par Moebius et al. [64] accompagné des variations de pressions dues aux déplacements des interfaces eau/air. Le débit imposé est constant, la pression est donc contrôlée par le diamètre de la gorge la plus grande. Ainsi, entre t1 et t2, une augmentation brutale de la pression a lieu lorsque l’interface air/eau, représentée par la courbe rouge, passe au travers de la gorge. Les vitesses locales des interfaces eau/air sont représentées Figure I – 29 pour plusieurs vitesses de front. Certaines vitesses sont 50 fois plus importantes que la vitesse de front. Le nombre de Reynolds local peut atteindre 1000 pour une grande vitesse de front, ce qui est proche d’un régime turbulent. Dans cette même étude, la dynamique d’interface et l’échange de masse entre pores voisins ont également été mis en équation. Cependant, de nombreuses simplifications ne permettent pas de reproduire numériquement la dynamique entre deux capillaires couplés.
Gurau et al. [65] ont, quant à eux, proposé un modèle physique complet et résolu avec une méthode de volumes finis. Cette approche numérique est utilisée pour capturer les phénomènes multiphasiques à l’interface GDL/canal du côté cathodique de la pile. Cependant, elle ne permet pas d’expliquer de façon simple les mécanismes qui déclenchent l’éjection de l’eau de façon éruptive.

Les nombreuses études ex situ décrites dans les paragraphes précédents sont des études isothermes s’intéressant au transport de la phase liquide au sein d’un milieu poreux. Ce choix permet de maitriser parfaitement les conditions thermiques des expériences. Ces différentes études isothermes ne prennent donc pas en compte l’évaporation ou la condensation de la phase liquide qui semble avoir lieu dans une pile à combustible en fonctionnement.
En effet, Nam et Kaviany [38] ont observé que dans une pile en fonctionnement, il existe un gradient de température dans la GDL. La partie chaude se trouve vers la couche catalytique et la partie froide vers le canal d’air. L’eau sous forme vapeur, essentiellement présente dans la partie de la GDL proche des sites catalytiques, se condense en microgouttelettes à de nombreux endroits dans l’épaisseur de la GDL, comme schématisé Figure I – 30. La distribution de l’eau dans la GDL est contrôlée par la condensation et par la pression capillaire de la phase liquide. Les écoulements d’eau entre la cathode et l’anode sont donc très dépendants du profil de température dirigé de façon perpendiculaire aux électrodes [66]. D’autres études expérimentales [22][23][24][25][55] ont également montré que de l’eau sous forme liquide est présente dans la GDL et dans les canaux de distribution des gaz. Un modèle de réseau de pores a été utilisé afin de mettre en évidence les zones où la GDL est sèche, celles d’envahissement partiel et d’évaporation et des zones près de la sortie où l’eau est sous forme liquide et peut percer dans les canaux [67].
La quantité d’eau liquide présente dans la GDL et dans les canaux dépend donc de la température
[67]. Owejan et al. [68] ont remarqué que l’eau est plus facile à évacuer en phase vapeur à 75°C qu’à 30°C. A une température élevée, l’agitation thermique des molécules sera plus importante. La tension de surface des gouttes, qui est une force de cohésion, sera plus faible [69]. Les gouttes pourront ainsi se déformer plus facilement et être évacuées plus rapidement [70]. De plus, pour des faibles températures de fonctionnement, l’eau liquide sera présente en plus grande quantité, et plus encore lors de faible densité de courant car les débits d’air ou d’hydrogène seront insuffisants pour évacuer l’eau.

Lors du fonctionnement d’une pile, l’ensemble des cellules composant le stack est compressé afin d’accroitre les performances de celle-ci [71]. En effet, les performances d’une cellule sont meilleures lorsque le couple de serrage est le plus grand possible sans endommager les composants [71]. Cette compression peut réduire la taille des pores à la surface de la GDL en compactant plus finement les fibres. La compression de la GDL accroit la pression capillaire permettant l’injection d’eau et décroit celle permettant son évacuation [49]. La compression peut également « adoucir » les ondulations et les rugosités macroscopiques de surface en obstruant certains orifices d’entrée ou de sortie [49].

Dans cette partie, nous allons nous intéresser au transport de l’eau liquide, de sa sortie de la GDL à son interaction avec le canal de distribution. Il sera ainsi question de la manière dont l’eau produite au niveau des sites catalytiques lors de la réaction électrochimique arrive dans les canaux de distribution des gaz après avoir traversé la GDL. Cette section présentera les différents régimes d’écoulements observés dans la littérature ainsi que l’influence de plusieurs paramètres, comme la mouillabilité des parois, la géométrie ou la gravité, sur ces régimes d’écoulements. Les différentes études présentes dans la littérature peuvent avoir été menées de façon in situ ou de façon ex situ, avec un écoulement d’air dans le canal ou non, avec un capillaire ou avec un milieu poreux complet. L’objectif étant toujours, quel que soit le type d’écoulement, l’optimisation des performances de la pile.

Une étude ex situ dont le dispositif expérimental est schématisé Figure I – 31, permet l’étude de l’évacuation des gouttes formées dans un canal. De l’eau est injectée dans le micro canal (en jaune sur le schéma) et des gouttes se forment puis sont évacuées dans un milli canal en PDMS (en pointillés sur le schéma). Ainsi, dans un canal de distribution d’air initialement sec, une forte augmentation de pression dans le circuit d’eau est observée avant l’apparition de la première goutte ayant traversé la GDL (Figure I – 32). Comme dans les travaux de Liu et al. [61] évoqués précédemment, cette augmentation de pression correspond à une accumulation d’eau dans la GDL. Cette accumulation d’eau est appelée « system expansion » par Bazylak et al. [7]. Elle est suivie d’une brusque diminution de cette pression et d’une fréquence rapide d’apparition de gouttes (Figure I – 32)[7][61].
Lorsque le régime devient permanent, plusieurs régimes d’écoulement sont possibles (Figure I – 33):
‒ l’écoulement en bouchons ou slug lorsque les gouttes envahissent entièrement le canal.
‒ l’écoulement en gouttelettes ou droplet lorsque les gouttes se décrochent de leur site avant de bloquer le canal d’air.
‒ l’écoulement en film lorsqu’un film continu avec de petites vaguelettes se forme sur un coté ou dans un coin du canal.
Ces différents régimes ont été observés lors d’une étude ex situ, l’eau sortant d’un trou perpendiculaire au canal. Un écoulement en bouchons ou en gouttelettes bouchera entièrement ou partiellement le canal et entrainera une augmentation de la pression dans le canal bouché. En effet, pour passer, l’air est contraint de contourner la goutte en traversant la GDL ce qui induira de fortes pertes de charges (Figure I – 34). Le gaz est alors distribué de façon non homogène dans les canaux. En effet, en amont de la goutte, du gaz est présent et peut atteindre les sites catalytiques afin de réagir lors de la réaction électrochimique. En aval de la goutte, peu de gaz est présent car celui-ci doit contourner la goutte. Les sites catalytiques sont donc peu approvisionnés en gaz et la réaction électrochimique n’est pas optimale.
Lu et al. [10] montrent que pour une vitesse d’air inférieure à 3 m/s et une vitesse d’eau comprise entre 0 et 16 m/s, le régime d’écoulement dominant est un régime de bouchon et demi bouchon. Puis lorsque le débit d’air augmente, le régime d’écoulement devient un film. Aucun régime de gouttelettes n’est observé. Quant à Wu et Djilali [8], ils observent un régime de gouttelettes entre le régime en bouchon et celui en film. Sur ces cartographies, représentées Figure I – 35, chaque régime d’écoulement est clairement séparé des autres. Cependant, d’autres études montrent que des régimes d’écoulements coexistent [72]. Pour de faibles débits, Hussaini et al. [73] ne cartographient que les régimes d’écoulement dominants. Cheah et al. [74][75] ont observé, également pour des faibles débits d’eau et d’air, que d’un jour sur l’autre les formes des gouttelettes varient. Plusieurs régimes d’écoulements peuvent se produire pour un même débit d’air. La littérature ne semble donc pas unanime sur ces questions de régimes d’écoulements. D’autre part, les forces de cisaillement de l’écoulement de gaz semblent jouer un rôle mineur dans la croissance d’une goutte dans un canal [76]. Cependant, ce fait n’est pas non plus unanimement partagé [8]. Les vitesses explorées ex situ par Wu et Djilali allant jusqu’à 100 m/s, reportées Figure I – 35, semblent bien loin de la réalité des applications en pile. En effet, pour leur étude in situ, Ous et Arcoumanis [9] ont imposé une densité de courant de 200 mA/cm² avec des stœchiométries inferieures à 40. Les vitesses d’air et d’eau associées sont donc de l’ordre de vair≈ 0.6 m/s et veau≈ 5 10-6 m/s. De même, dans leur application in situ Theodorakakos et al. [70] imposent des vitesses d’air entre 5 et 15 m/s.
Wu et Djilali ont également déterminé les fréquences d’apparition des gouttes dans le canal d’air en fonction de ces débits (Figure I – 36). Quel que soit le débit d’eau imposé, la fréquence d’apparition des gouttes augmente linéairement en fonction du débit d’air. Certains de nos résultats seront comparés à ceux tracés Figure I – 36.