Modélisation de moto-compresseurs en vue de la gestion de l'air dans les systèmes pile à combustible : simulation et validation expérimentale

Modelling of motor-compressors for the air management in fuel cell systems : simulation and experimental validation

• Auteur / Autrice : Benjamin Blunier
• Direction : Abdellatif Miraoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard

Mots clés

Mots clés contrôlés

VHDL (langage de description de matériel informatique)

Modèles mathématiques

Compresseurs d'air

Piles à combustible

Résumé

L'amélioration, l'avenir et la commercialisation des piies à combustible (PàC) reposent en grande partie sur l'optimisation et la conception du système de gestion de l'air et en particulier sur le système de compression. La première partie du travail a consisté en une recherche approfondie sur les PàC, la gestion de l'air et sur les compresseurs. Cette recherche a montré que dans une première phase, deux types de compresseurs sont à privilégier : les compresseurs centrifuges et à spirales (scroll). Une modélisation analytique de ce dernier a été réalisée. Le modèle étant analytique, il permettra par le moyen d'une optimisation sous contrainte d'obtenir différentes géométries qui seront adaptées aux objectifs visés. Un banc de test automatisé a été réalisé. Celui-ci es pourvu d'un système d'acquisition et de commande (dSPACE) permettant d'identifier le système et de prototyper des lois de commande en vue d'une commande optimale du compresseur. Afin de contrôler le compresseur et de déterminer son influence dans la gestion de l'air de la pile, il a été nécessaire de modéliser la PàC. Ce modèle a été réalisé en utilisant une approche originale : chaque partie de la pile est modélisée séparement en incluant les phénomènes multi-physiques au sein du même composant. Le modèle prend en compte la dynamique des pressions dans les canuax cathodiques, les phénomènes de diffusion ainsi que les phénomènes de transferts d'eau dans la membrane. Cette modélisation a été développée dans un langage description multi-physique standardisé par IEEE : le langage VHDL-AMS. Les résultats de modélisation et de simulation ont été validés expérimentalement sur un système PàC de 1,2 kW.

The improvement, the future and the commercialization of fuel cell systems are closely related to the optimization and design of the air system management and particularly to the compression system. The first part of the work consists in establishing a state-of-the-art of fuel cell systems, air management and air compressors. An exhaustive research on the different kinds of compressors and compression systems has been carried out taking into account requirements and constraints of the fuel cell. This work has shown that two kinds of compressors can be used : the centrifugal compressor and the scroll compressor. An analytical modelling of the scroll compressor has been achieved. This analytical model will help, by means of constrained optimisation, to obtain several geometries fitting the requirements for a given application. An experimental rig has been set up to validate the model. This rig is completely automated thanks to a Dspace system for identifying and testing control laws of any compressor in fuel cell power ranges. To determine the influence of the compressor on the air management of the system, a fuel cell stack has been modelled. This model has been built by using an original approach: each part of the cell is modelled separately including multi-physic phenomena inside the same component. The model takes into account the pressure dynamics in the channels, the diffusion phenomena in the gas diffusion layers and the water transport inside the membrane, which permit the influence parameters to be observed on the water management inside the fuel cell. This model has been validated using the 1. 2 kW Ballard Nexa module.