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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Cas d’étude : un modèle 1D et son analyse2. Validation expérimentale du modèle en deux étapes
2.1 Principe
Une fois le modèle obtenu, il est impératif de le valider expérimentalement afin de garantir que les décisions prises reflètent précisément la réalité, avec une marge d’erreur acceptable. Chaque pile à combustible étant unique, il existe un ensemble de paramètres indéterminés qui doivent être ajustés afin de faire correspondre le modèle à la pile réelle. Ainsi, la validation doit être répétée pour chaque système utilisé, même si le modèle a été validé précédemment sur d’autres piles.
La validation expérimentale se divise en deux phases. La première consiste à calibrer les paramètres indéterminés du modèle en utilisant un ensemble de données expérimentales. La deuxième étape consiste à vérifier les résultats en comparant le modèle à un autre ensemble de données expérimentales de la même pile, mais avec des paramètres indéterminés fixés. Cette méthode est essentielle pour une validation robuste, bien que de nombreuses études se limitent à une seule courbe de polarisation pour y arriver, ce qui est insuffisant .
Pour améliorer la robustesse de la validation, une variété de données expérimentales est nécessaire, notamment des courbes de polarisation obtenues avec des conditions opératoires différentes. Les courbes de spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) peuvent également compléter cette analyse en offrant des informations détaillées sur la dynamique du système. En outre, les courbes voltammétriques cycliques ainsi que les courbes illustrant l’évolution spatiale de la densité de courant sont des outils classiques pour caractériser la pile.
HAUT DE PAGE2.2 Calibration...
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Validation expérimentale du modèle en deux étapes
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).
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(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).
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(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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