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UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL
FACULTÉ DES SCIENCES
Rabat
Faculté des Sciences, 4 Avenue Ibn Battouta B.P. 1014 RP, Rabat – Maroc
Tel [phone]/38, Fax : [phone], http://www.fsr.ac.ma
N° d’ordre : 2487
THÈSE DE DOCTORAT
Présentée par
Hamid MOUNIR
Discipline : Physique
Spécialité : Mécanique et Energétique
Caractérisation, modélisation thermo fluide et électrochimique,
simulation numérique et étude des performances
des nouvelles piles à combustible types IP-SOFC
(Integrated-Planar Solid Oxide Fuel Cell)
Soutenue le : 10 Avril 2010
Devant le jury
Président :
A. BENYOUSSEF Professeur de l’enseignement supérieur à la Faculté des Sciences Rabat
Examinateurs :
A. El Gharad Professeur de l’enseignement supérieur à L’ENSET de Rabat
M. Boukalouch Professeur de l’enseignement supérieur à la faculté des sciences de Rabat
M. Belaiche Professeur de l’enseignement supérieur à L’ENS de Rabat
M. O. Ben Salah Professeur de l’enseignement supérieur à la faculté des sciences de Rabat
Ch. Bojji Professeur de l’enseignement supérieur à L’ENSET de Rabat
R. Benchrifa Docteur d'université, chercheur au CNRST de Rabat

Remerciements
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Remerciements
Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été menés au Laboratoire de
thermodynamique et de mécaniques des matériaux, de la faculté des sciences de rabat
Je remercie donc le responsable Monsieur Mohamed Boukalouch Professeur de
l’enseignement supérieur de la Faculté des Sciences et directeur de l’UFR.
Ces travaux ont été effectués en collaboration au LABORATOIOR de mécanique et de
calcul des structures dans le quel j’ai participé à diverses activités de recherche et accompli
ma thèse. Je remercie donc vivement le responsable Monsieur Abdellah El Gharad,
professeur à l’Ecole Normale Supérieur de L’enseignement Technique et Chef de
Département de génie Mécanique pour la confiance qu’il m’a accordé en me confiant ce
travail, pour m’avoir accueilli au laboratoire et avoir encadré mes travaux.
Je témoigne ma reconnaissance envers les personnes qui m’ont accompagné durant cette
période, et qui pour certaines sont activement intervenues dans le déroulement de ces
travaux de thèse.

Remerciements
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J’exprime ma gratitude à mon Co-encadrant : Monsieur Mohamed Belaiche, Professeur à
l’Ecole Normale Supérieure d’enseignement et membre de l’académie Hassan II, pour son
aide tout au long de ces quatre années.
Je tiens à remercier tous, les membres du jury :
Mr Abdelilah BENYOUSSEF, pour avoir accepté de présidé le jury.
Mr Mohamed ouadi Ben Salah, Mr Rachid Benchrifa, et Mr Chakib
Bojji,en tant que rapporteurs, dont le travail de lecture approfondie du manuscrit a
permis une agréable discussion lors de la présentation orale ;
Enfin je remercie ma femme, mon fils, mes parents, mes frères, mes sœurs et toute la
famille pour leur confiance et leur soutien et que j’aime profondément

Résumé
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Résumé
Les piles à combustible à électrolyte solide SOFC suscitent beaucoup d’espoir
face aux enjeux énergétiques et environnementaux. Elles ont subit un important
développement dans leur géométrie par l’introduction de la technologie modulaire
par la société Rolls-Royce. Les performances de ces nouvelles piles IP-SOFC
sont fortement influencées par l’écoulement de l’air et du combustible (CH4, H2,
CO2….) dans leurs éléments poreux.
Dans cette thèse nous présentons une modélisation physique des écoulements
des gaz au sein de la pile et une modélisation électrochimique pour définir ses
performances. Les phénomènes étudiés sont représentés avec une formulation
théorique de façon macroscopique par une méthode numérique mixant la
méthode des différences finies et celle des lattices de Boltzmann. Les
simulations sont effectuées avec un programme écrit en FORTRAN 90, elles nous
ont permis la validation de nos équations différentielles et algorithmes de
résolution. Les résultats obtenus ont mis en évidence les profils des différentes
grandeurs physiques et électrochimiques dans la pile.
Les résultats montrent une augmentation des pertes de concentration cathodique
en tension qui est due à la diminution de la fraction molaire de l’oxygène le long
de l’entre-modules, et aussi une augmentation des pertes de concentration
anodique en tension qui est due à la diminution de la fraction molaire de
l’hydrogène le long des canaux modulaires. Nous pensons que la température du
module augmente par production de chaleur à partir des réactions chimiques, ce
qui améliore les performances de la pile.
Les résultats que nous avons obtenus montrent aussi que :
les pertes d’activations et les pertes ohmiques jouent un rôle majeur
dans la diminution de la tension lorsque la densité du courant
électrique augmente,

Résumé
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La puissance électrique, collectée au niveau des rangées de modules,
augmente continuellement, et ce lorsque nous passons de la première
vers la dernière rangée de modules, ce qui est justifié par
l’augmentation de la température qui améliore la tension et par
conséquence augmente la puissance.
Les résultats montrent que l’augmentation de la température d’entrée des gaz
améliore considérablement la tension et la puissance de la pile et par suite son
rendement. Nous constatons que l’augmentation de la pression dans la pile
permet une diffusion facile des gaz au niveau de l'interface électrode/électrolyte,
ce qui permet une augmentation des concentrations des réactifs et par
conséquence diminue les pertes de concentration et favorise les performances de
la pile.
En fin nous avons montré que :
La composition des gaz joue un rôle important dans la réduction des
pertes de concentration et progresse la tension et la puissance.
La réduction de l’épaisseur des éléments de la pile (anode, cathode et
électrolyte) permet une diminution des pertes en tension et une
augmentation de la puissance produite au niveau de la pile.
Mots clés : pile à combustible type IP-SOFC, Modélisation thermo fluide,
modélisation électrochimique, simulation numérique, transport de masse, transfert
de chaleur, performances de la pile.