Macroscopic modeling of SOFC and PEFC fuel cells for the study of their coupling

• Auteur / Autrice : Moussa Chnani
• Direction : Jean-Marie Kauffmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible à oxyde solide

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Modèles mathématiques

Piles à combustible

Mots clés libres

Pefc

Sofc

Gaz reformé

Caractérisation expérimentale

Résumé

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre du projet européen « FELICITAS », dont l’ambition est le développement de générateurs piles à combustible performants pour les applications transport de type ferroviaire, routier lourd et maritime. Les travaux présentés sont une contribution à l’évaluation d’une hybridation de sources originale où sont couplées en série une pile haute température de type oxyde solide (SOFC) alimentée en diesel et une pile basse température de type électrolyte polymère (PEFC). La SOFC participe ainsi à la fourniture de puissance électrique et contribue également au procédé de purification du combustible destiné à la PEFC en oxydant une fraction de monoxyde de carbone. Un modèle macroscopique a été développé. La complexité d’une pile à combustible réside dans la prise en compte de son caractère multiphysique : elle est le siège des phénomènes électrochimiques, fluidiques et thermiques. Cette difficulté a été surmontée en utilisant une analogie avec un circuit électrique équivalent pour unifier ses trois aspects. Un modèle de SOFC est proposé. Le combustible est un mélange d’hydrogène, d’azote, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau, de composition proche de celle obtenue à la sortie d’un reformeur. Un banc d’essai spécifique a été conçu et réalisé pour le test de petits empilements afin de valider le modèle. Un modèle de pile PEFC isotherme a également été développé sur le même principe. La validation expérimentale a été faite sur un banc disponible au laboratoire. Une bibliothèque des composants fluidiques d’un générateur à pile combustible a été enrichie, notamment par un modèle de compresseur d’air.

This work was performed in the frame od the European project « FELICITAS », which aimed to develop fuel cell drive trains capable of meeting the demands of heavy-duty transport for road, rail and marine applications It is a contribution to the evaluation of the hybridization of two types of fuel cells. A high temperature solid oxide fuel cell (SOFC) fuelled by diesel and a low temperature polymer electrolyte fuel cell (PEFC) are coupled in series. The SOFC participates to the power electrical supply and also contributes to the purification process of fuel for the PEFC oxidant in a fraction of carbon monoxide. A macroscopic modelling approach has been developed. The complexity of a fuel cell comes from the multiphysics phenomena occurring : electrochemical, thermal and fluidic phenomena. This difficulty was overcome by using an equivalent electrical analogy to unify its three aspects. A SOFC stack model is proposed, applying the principle of electrical analogy circuit of the anode and the cathode, and a nodal method for the thermal behaviour is developed. The fuel is a mixture of hydrogen, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapour, which is obtained by a reformer. A test bench was specifically designed and built for testing of short stacks in order to validate the model. A model for isothermal PEFC stack has also been developed on the same principle. The experimental validation was made available on a test bench in the laboratory. A library of components of a fluidic generator fuel cell was enriched (valve, flow meter, pressure regulator …) including a simplified model of air compressor.