Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La modélisation d’un système de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est essentielle pour améliorer ses performances, en permettant notamment l’accès à ses états internes. Il existe diverses méthodes de modélisation spatiale, chacune avec ses avantages et inconvénients.
Il est crucial de les connaître afin de choisir le modèle le plus adapté à l’objectif visé. La validation d’un tel modèle nécessite l’utilisation de données expérimentales variées, ainsi que deux étapes cruciales : une calibration des paramètres indéterminés et une vérification des résultats. Pour illustrer ces concepts, un modèle 1D dynamique, biphasique et isotherme est présenté.
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Modeling a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system is essential for enhancing its performance, particularly by facilitating access to its internal states. Various spatial modeling methods exist, each with unique advantages and disadvantages. Understanding these is crucial for selecting the most appropriate model for the intended purpose. Validating such a model entails utilizing diverse experimental data and involves two crucial steps: calibrating indeterminate parameters and verifying results. To illustrate these concepts, a dynamic, biphasic, and isothermal 1D model is presented.
Auteur(s)
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Raphaël GASS : Doctorant - Ingénieur des Mines de Saint-Étienne - Université de Franche-Comté, UTBM, CNRS, institut FEMTO-ST, FCLAB, Belfort, France - Aix Marseille Univ, CNRS, LIS, Marseille, France
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Zhongliang LI : Professeur des universités - Université de Franche-Comté, UTBM, CNRS, institut FEMTO-ST, FCLAB, Belfort, France
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Rachid OUTBIB : Professeur des universités - Aix Marseille Univ, CNRS, LIS, Marseille, France
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Samir JEMEI : Professeur des universités - Université de Franche-Comté, UTBM, CNRS, institut FEMTO-ST, FCLAB, Belfort, France
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Daniel HISSEL : Professeur des universités - Université de Franche-Comté, UTBM, CNRS, institut FEMTO-ST, FCLAB, Belfort, France - Institut universitaire de France
INTRODUCTION
Les piles à combustible sont des dispositifs de conversion d’énergie chimique en électricité et chaleur qui jouent un rôle crucial pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et lutter contre le réchauffement climatique. Actuellement en développement avancé, elles semblent prometteuses pour alimenter les transports lourds, produire de façon stationnaire de l’électricité, et fournir une alimentation de secours aux data centers. Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), qui utilisent la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène pour générer de l’électricité et qui fonctionnent à des pressions et températures basses, sont parmi les plus matures. Composées d’un assemblage de cellules, elles utilisent des matériaux solides comme des métaux, de la fibre de carbone et des polymères pour faciliter ou empêcher le passage des gaz (hydrogène, oxygène, azote), de l’eau liquide et des particules (protons, électrons).
La modélisation numérique des piles permet d’optimiser leur conception en testant virtuellement de nouveaux composants, ce qui est peu coûteux en termes de temps et d’argent. Cela vise à améliorer leurs performances, leur fiabilité ou à réduire leur coût. Les modèles permettent également de contrôler en temps réel les piles en ajustant leurs conditions opératoires, comme la pression, la température, l’humidité et le débit des gaz. Ceci vise à améliorer leurs performances, à éviter les défauts tels que le noyage des cellules et à réduire leur dégradation.
Divers modèles représentent les piles à combustible, chacun avec ses avantages et inconvénients. Il n’existe pas de modèle universel et chaque application doit choisir celui qui est le plus adapté.
Ce travail décrit les différents modèles spatiaux de la littérature, excluant la modélisation par blocs fonctionnels. Une procédure de validation expérimentale des modèles est aussi expliquée, avec ses limites, suivie d’une étude de cas sur un modèle 1D dynamique, biphasique, isotherme et sans transfert de charge.
Points clés
Domaine : Modélisation
Degré de diffusion de la technologie : Croissance
Technologies impliquées : Pile à combustible PEM
Domaines d’application : Transports, production stationnaire d’énergie, alimentation de secours des data center.
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MOTS-CLÉS
hydrogène Pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) Modélisation spatiale Validation expérimentale Modèle 1D dynamique
KEYWORDS
hydrogen | Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) | Spatial modeling | Experimental validation | Dynamic 1D model
DOI (Digital Object Identifier)
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Validation expérimentale du modèle en deux étapes1. Choix du modèle adapté à ses objectifs
1.1 Deux grandes approches de modélisation
Un modèle est une représentation simplifiée d’un système du monde réel. Il permet de donner des informations sur les aspects essentiels de celui-ci, en négligeant les détails les moins importants. Il permet ainsi de mieux comprendre et donc de mieux manipuler la réalité. Cependant, en raison des limites de la physique actuelle, des données expérimentales parfois limitées et biaisées, ainsi que des contraintes de calcul, une approche critique des résultats des modèles est essentielle. De plus, le choix du modèle à utiliser dépend de l’application visée, étant donné que chacun présente des avantages et des inconvénients spécifiques.
Deux approches principales sont utilisées pour modéliser la pile à combustible. La première, la modélisation par blocs fonctionnels ou lumped-parameter model, simplifie le système en le divisant en blocs autonomes représentant chacun une fonction spécifique. Ainsi, une pile à combustible peut être représentée par des composants électriques équivalents. Une source idéale de tension représente alors le potentiel de Nernst, des résistances en série représentent chaque chute de tension et un condensateur en parallèle représente les effets de la double couche de charge . La seconde approche, la modélisation spatiale, offre une vision détaillée du système en divisant celui-ci en sous-éléments connectés, mettant l’accent sur les échanges de matière ou d’énergie entre eux. Cette approche peut intégrer plusieurs échelles spatiales et plusieurs disciplines de la physique, formant ainsi des modèles multiéchelles et multiphysiques.
Les méthodes de modélisation par blocs fonctionnels, telles que les circuits électriques équivalents ou les réseaux de neurones, ne sont pas détaillées dans ce travail. Elles nécessitent...
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Choix du modèle adapté à ses objectifs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - NOIYING (P.) - Modélisation locale d’une cellule de pile à combustible pour l’étude de système électriques. - PhD thesis, université de Lorraine (2013).
-
(2) - PUKRUSHPAN (J.T.), PENG (H.), STEFANOPOULOU (A.G.) - Control-Oriented Modeling and Analysis for Automotive Fuel Cell Systems. - Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 126(1), p. 14-25 (2004).
-
(3) - FALCÃO (D.), OLIVEIRA (V.), RANGEL (C.), PINHO (C.), PINTO (A.) - Water transport through a PEM fuel cell : A one-dimensional model with heat transfer effects. - Chemical Engineering Science, 64(9), p. 2216-2225 (2009).
-
(4) - FALCÃO (D.), PINHO (C.), PINTO (A.) - Water Management in PEMFC : 1-D Model Simulations. - Ciência & Tecnologia dos Materiais, 28(2), p. 81-87 (2016).
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(5) - XU (L.), HU (J.), CHENG (S.), FANG (C.), LI (J.), OUYANG (M.), LEHNERT (W.) - Robust Control of Internal States in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Air-Feed System by Considering Actuator Properties. - International...
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