Modélisation et caractérisation d'une pile à combustible du type PEM

Modelling and characterisation of a PEM fuel cell

• Auteur / Autrice : Klaus Wolfgang Friede
• Direction : Bernard Davat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Membranes échangeuses d'ions

Phénomènes transitoires

Modèles mathématiques

Piles à combustible

Résumé

Cette thèse décrit le fonctionnement d'une pile à combustible sous l'aspect de son intégration dans un système de production d'énergie. Son utilisation est difficile dû au grand nombre de paramètres de fonctionnement à contrôler et nécessite une connaissance détaillée du fonctionnement interne. Pour cela, les relations entre les conditions de fonctionnement et les grandeurs électriques sont présentées. Le modèle décrit les différents effets internes de la pile tout en restant suffisamment restreint pour permettre une résolution rapide en régime stationnaire et transitoire. La pile a été décomposée en couches selon les différents matériaux utilisés. Une approche monodimensionnelle a été choisie. Selon un axe perpendiculaire à la membrane, chaque couche est discrétisée en plusieurs éléments. Le modèle mathématique d'une cellule de pile à combustible présenté est basé sur des équations de flux de gaz et de l'eau à l'intérieur. La description de la réaction chimique ainsi que son couplage avec les autres grandeurs est traitée ainsi que le comportement fréquentiel de la pile. La résolution des équations sous Matlab-Simulink permet de localiser des phénomènes dans la pile et de visualiser le comportement en transitoire, notamment concernant la gestion d'eau à l'intérieur de la pile, le plus grand défi du contrôle des conditions de fonctionnement. La présentation d'un banc de test avec une pile à combustible de 500 W et des mesures stationnaires et transitoires montrent les performances de la pile et sa sensibilité aux paramètres. Notamment les mesures de la résistance interne et des valeurs de l'impédance sont interprétées pour trouver des informations concernant les phénomènes physiques dans la pile

In this work, the behaviour of a fuel cell is described in regard of its integration into a power production system. Its use is difficult as a great number of operating parameters has to be controlled and internal behaviour has to be known. Therefore, the relations between the operating conditions and the electrical parameters are presented. The model describes the internal phenomena in the fuel cell while staying restricted enough to allow a fast resolution in stationary and transient operation. The fuel cell is divided into layers. Each layer consists of a different material. A mono-dimensional approach has been chosen. Following an axis that is perpendicular to the membrane surface, every layer is discretised into several elements. This work is dealing with a mathematical model of a single fuel cell, based on gas and water flow equations. The electrochemical reactions are described while taking into account the mutual influence with other values. The description of the cell impedance is of special interest. The model shows the evolution of electrical values as a function of operating conditions. The resolution of the equations using Matlab-Simuling software allows to localise the internai phenomena and to visualise the transient behaviour. Special attention is given to water management, which is one of the biggest challenges in operating low temperature fuel cells. The presentation of a test hench with a 500 W PEM fuel cell and stationary and transient measurements show the cell's performance and its sensibility to parameter changes. In particular, membrane resistance and impedance values are interpreted to get more information about the internal physical phenomena of the fuel cell