Modèle dynamique non linéaire de la pile à combustible du type PEM : application à la régulation de l'humidité dans la membrane électrolytique

• Auteur / Autrice : Ahmad Haddad
• Direction : Abdellah El Moudni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Systèmes et Transports

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alimentation en énergie

Piles à combustible

Résumé

Bien que les piles à combustible de type PEM représentent de composantes majeures capables de provoquer l'évolution du domaine énergétique, il reste néanmoins de nombreux problèmes à résoudre avant d'envisager leur développement et leur commercialisation. Le caractère très fortement couplé des phénomènes physico-chimiques se produisant dans le coeur de piles rend ces systèmes très complexes et difficiles à maîtriser. Dans ce contexte, la modélisation mathématique se positionne comme un outil précieux pour la compréhension, la prédiction et l'amélioration du comportement de ces systèmes. Parmi les différentes approches de modélisation existantes, nous nous sommes intéressés à la représentation d'état qui présente des avantages vis-à-vis de l'analyse, de la commande et de la prédiction des processus internes. Ce travail de thèse propose une modélisation dynamique non linéaire qui prend en compte le couplage entre les différents phénomènes physiques internes afin de traduire aussi bien que possible le comportement réel du système. Nous élaborons des modèles sous forme de représentation d'état destinés aux applications stationnaires et de transport. Le circuit équivalent électrique proposé pour la cellule permet de coupler les différents phénomènes étudiés. Les modèles qui sont évalués par des simulations, sont ensuite validés expérimentalement sur une pile PEM de puissance 50 W. Le modèle de transport est exploité pour élaborer une stratégie de commande assurant une régulation de l'humidité en fonction de la demande de puissance. La régulation proposée a permis d'améliorer le rendement électrique du système.

Proton Exchange Membrane Fuel Cells are important devices that can cause improvements in the energetic domain. However, they still have many problems preventing their development and marketing. The highly coupled nature of physico-chemical phenomena occurring inside the fuel cell makes this system very complex and difficult to control. In particular, the membrane water management is one of the most delicate problems that affect the system performances. In this context, mathematical modeling represents an important tool for the comprehension, prediction and improvement of the fuel cell behaviour. Among the different modeling approaches, we are interested in the state-space representation because it represents many advantages towards the internal processes analysis, control and prediction. This work proposes a non linear dynamical modeling taking into account interactions between physical phenomena in order to describe as much as possible the real system behaviour. Models stated in this work are dedicated for stationary and transport applications respectively. We propose an equivalent electrical circuit for the cell integrating the studied phenomena. Simulation results show that models are in agreement with fuel cell real operating principles. Models are validated through experimental tests done on a 50 W PEM fuel cell. A detailed study of the water transport phenomenon, leads to the model development and make it suitable for water management in transport applications. Finally, a regulation of the membrane humidity is proposed. It shows an improvement in the fuel cell electrical efficiency.