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Système de pile à combustible à MEP

Cet exemple montre comment modéliser un stack de piles à combustible à membrane échangeuse de protons (MEP) avec un bloc Simscape™ personnalisé. La pile à combustible à MEP génère une puissance électrique en consommant de l’hydrogène et de l’oxygène et en produisant de la vapeur d’eau. Le bloc personnalisé représente l’assemblage membrane-électrode (MEA). Il est connecté à deux réseaux d’air humide distincts : l’un pour le flux de gaz de l’anode et l’autre pour le flux de gaz de la cathode.

Les deux réseaux d’air humide représentent des mélanges de gaz différents. Le réseau de l’anode se compose d’azote (N2), de vapeur d’eau (H2O) et d’hydrogène (H2) qui représentent le carburant. L’hydrogène est stocké dans le réservoir de carburant à 70 MPa. Un réducteur de pression libère de l’hydrogène dans le stack de piles à combustible à env. 0,16 MPa. L'hydrogène non consommé est réintroduit dans le stack. Le réseau de la cathode se compose d’azote (N2), de vapeur d’eau (H2O) et d’oxygène (O2) qui représentent l’air présent dans l'environnement. Un compresseur alimente en air le stack de piles à combustible à un débit contrôlé afin de faire en sorte que la pile à combustible ne manque pas d’oxygène. Une soupape de décharge de contre-pression maintient une pression d’environ 0,16 MPa dans le stack et évacue l’échappement dans l’environnement.

La température et l’humidité relative du stack de piles à combustible doivent être maintenues à un niveau optimal afin de garantir un fonctionnement efficace dans diverses conditions de chargement. Des températures supérieures augmentent l’efficacité thermique, mais réduisent l’humidité relative, ce qui accroît la résistance de la membrane. Par conséquent, dans ce modèle, la température du stack de piles à combustible est maintenue à 80 °C. Le système de refroidissement fait circuler le liquide de refroidissement entre les piles afin d’absorber la chaleur, puis le rejette dans l’environnement par le biais du radiateur. Les humidificateurs saturent le gaz en vapeur d’eau afin que la membrane reste hydratée, ce qui minimise la résistance électrique.

Le bloc MEA personnalisé est implémenté dans le code Simscape FuelCell.ssc. Le port de sortie F de l’anode et les blocs Gas Channel Pipe de la cathode fournissent les fractions molaires de gaz nécessaires pour modéliser la réaction de la pile à combustible. L’élimination du H2 et de l’O2 des flux de gaz de l’anode et de la cathode est implémentée par les blocs Controlled Trace Gas Source (MA). La production de H2O et le transport de vapeur d’eau à travers le MEA sont implémentés par les blocs Controlled Moisture Source (MA). La chaleur générée par la réaction est envoyée via le port thermique H au bloc Thermal Mass connecté. Pour plus de détails sur l’implémentation, reportez-vous aux commentaires dans le code.

Explorez également l’exemple Système d'électrolyse à MEP.

Références :

Dutta, Sandip, Sirivatch Shimpalee et J. W. Van Zee. « Numerical prediction of mass-exchange between cathode and anode channels in a PEM fuel cell. » International Journal of Heat and Mass Transfer 44.11 (2001) : 2029-2042.

EG&G Technical Services, Inc. Fuel Cell Handbook (septième édition). US Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 2004.

Pukrushpan, Jay T., Anna G. Stefanopoulou et Huei Peng. Control of fuel cell power systems: principles, modeling, analysis and feedback design. Springer-Verlag London, 2004.

Spiegel, Colleen. PEM fuel cell modeling and simulation using MATLAB. Elsevier, 2008.

Modèle

Sous-système Anode Humidifier

Sous-système Anode Exhaust

Sous-système Anode Gas Channels

Sous-système Cathode Humidifier

Sous-système Cathode Exhaust

Sous-système Pressure Relief Valve

Sous-système Cathode Gas Channels

Sous-système Cooling System

Sous-système Coolant Tank

Sous-système Electrical Load

Sous-système Hydrogen Source

Sous-système Pressure-Reducing Valve

Sous-système Oxygen Source

Sous-système Recirculation

Résultats de simulation générés par les blocs Scope

Résultats de simulation enregistrés par Simscape

Ce tracé représente la courbe courant-tension (i-v) d’une pile à combustible du stack. Lorsque le courant augmente, une chute de tension initiale se produit en raison des pertes d’activation des électrodes. Elle est suivie d’une diminution progressive de la tension due aux résistances ohmiques. À l’approche du courant maximal, une soudaine chute de tension se produit en raison des pertes liées au transport du gaz.

Ce tracé présente également la puissance produite par la pile. Lorsque le scénario de rampe est sélectionné, la puissance augmente jusqu’à atteindre la sortie de puissance maximale, puis diminue en raison des fortes pertes qui se produisent à l'approche du courant maximal.

Ce tracé représente la puissance électrique produite par le stack de piles à combustible, ainsi que la puissance électrique consommé par le compresseur d’air cathodique et par la pompe à liquide de refroidissement pour maintenir un fonctionnement stable et efficace du système. Par conséquent, la puissance nette produite par le système est inférieure de quelques pour cent à la puissance produite par le stack. Remarque : ce modèle suppose que le compresseur est isentropique. La prise en compte de l’efficacité du compresseur réduit le gain de puissance nette de quelques pour cent supplémentaires.

Ce tracé présente également la chaleur excédentaire générée par le stack de piles à combustible, à éliminer par système de refroidissement. La puissance maximale produite par le stack de piles à combustible est de 110 kW.

Ce tracé présente l’efficacité thermique de la pile à combustible et sa fraction d'utilisation réactive. L’efficacité thermique indique la fraction de l’énergie du carburant hydrogène que la pile à combustible a convertie en travail électrique utile. L’efficacité maximale théorique d’une pile à combustible MEP est de 83 %. Toutefois, l’efficacité réelle s’élève à env. 60 % en raison des pertes internes. À l'approche du courant maximal, l’efficacité chute à env. 45 %.

L’utilisation réactive correspond à la fraction des réactifs, H2 et O2, s’écoulant dans le stack de piles à combustible et consommée par la pile. Si une utilisation supérieure garantit une meilleure exploitation des gaz circulant dans la pile à combustible, elle diminue la concentration des réactifs et réduit ainsi la tension produite. L’O2 non consommé est évacué dans l’environnement, mais le H2 non consommé est réintroduit vers l’anode pour éviter le gaspillage. Cependant, dans la pratique, le H2 est purgé régulièrement afin d’éliminer les polluants.

Ce tracé présente les températures à divers endroits du système. Le système de refroidissement maintient la température du stack de piles à combustible à un maximum de 80 °C. Le carburant qui s’écoule vers l’anode est réchauffé par le flux de recirculation. L‘air qui s’écoule vers la cathode est réchauffé par le compresseur.

La température doit impérativement rester optimale pour garantir le bon fonctionnement de la pile à combustible. En effet, des températures supérieures réduisent l’humidité relative, ce qui augmente la résistance de la membrane. Dans ce modèle, le système de refroidissement est commandé par un contrôle simple du débit de la pompe à liquide de refroidissement. Le tracé présente la température du liquide de refroidissement après absorption de la chaleur issue du stack de piles à combustible et après rejet de la chaleur dans le radiateur.

Ce tracé présente la masse d’hydrogène consommée en cours de fonctionnement et la baisse de pression correspondante dans le réservoir d’hydrogène. L’énergie produite par le carburant hydrogène consommé est convertie en énergie électrique.