Advanced physical modeling of PEM fuel cells to enhance their performances
Modélisation physique avancée des piles à combustible PEM pour améliorer leurs performances
Résumé
Hydrogen-based technologies hold great promise for meeting future energy demands in a more sustainable world. Given their potential, their technological development is central to many policies. Thus, accurately modeling fuel cells is essential for optimizing their control to enhance performance.
This thesis first presents an in-depth analysis of recent advancements in the governing principles of matter transport and voltage polarization specific to proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). It provides a thorough understanding of these principles, including the associated governing equations, their applicability, and underlying assumptions, serving as a foundation for future model development.
Building on this foundation, a one-dimensional, dynamic, two-phase, isothermal model for PEMFCs using a finite-difference approach has been developed. This model balances the simplicity of lumped-parameter models with the detailed accuracy of computational fluid dynamics models, offering precise internal state descriptions with low computational demand. In addition, a novel physical parameter, the limit liquid water saturation coefficient ($s_{lim}$) and corresponding formulas, are introduced in the overvoltage calculation. This new parameter links the voltage drop at high current densities to the amount of liquid water present in the catalyst layers and the operating conditions of the fuel cell. This newly established link between the internal states of the fuel cell and its operating conditions is promising for optimizing its control and thereby improving its performance.
An open-source software package, AlphaPEM, based on this model and implemented in Python, was then developed and released. It features a modular architecture that eases the integration of new functionalities and includes a user-friendly graphical interface. AlphaPEM also incorporates an automatic calibration method, enabling precise calibration of the model to the specific fuel cell under study. Using this software, detailed internal state information in response to varying current densities can be calculated efficiently. The static and dynamic performance, characterized by polarization and EIS curves, can also be simulated under various operating conditions.
Further, AlphaPEM paves the way for the use of advanced fuel cell simulations in embedded systems, as it enables precise and rapid responses under dynamic operating conditions. A simplified version of the model has been formulated in state-space form to make it compatible with a predictive control framework. This would facilitate the optimization of fuel cell operating conditions based on the model. As a practical application, an inlet humidity control strategy derived from the model is proposed, which theoretically allows the fuel cell to achieve higher power outputs while mitigating the risk of flooding.
Les technologies de l'hydrogène offrent des perspectives prometteuses pour répondre aux futures demandes énergétiques dans un monde plus durable. Compte tenu de leur potentiel, leur développement technologique est au cœur de nombreuses politiques. Ainsi, la modélisation précise des piles à combustible est essentielle pour optimiser leur contrôle et améliorer leur performance.
Cette thèse commence par une analyse approfondie des avancées récentes concernant les principes régissant le transport de la matière et le calcul de la tension des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Elle fournit une compréhension détaillée de ces principes en présentant les équations associées, leur applicabilité et les hypothèses sous-jacentes, ce qui constitue une base solide pour le développement de futurs modèles.
En s'appuyant sur ces travaux, un modèle unidimensionnel, dynamique, à deux phases et isotherme pour les PEMFC, utilisant une approche par différences finies, a été développé. Ce modèle constitue un compromis entre la simplicité des modèles à blocs fonctionnels et la précision des modèles de mécanique des fluides numériques (en anglais : computational fluid dynamics models), offrant ainsi une description précise des états internes tout en ayant une faible demande de calcul. En outre, un nouveau paramètre physique, le coefficient de saturation limite en eau liquide ($s_{lim}$), ainsi que les formules correspondantes, sont introduits dans le calcul de la surtension. Ce nouveau paramètre relie la chute de tension à des densités de courant élevées à la quantité d'eau liquide présente dans les couches catalytiques et aux conditions de fonctionnement de la pile à combustible. Ce lien nouvellement établi entre les états internes de la pile à combustible et ses conditions de fonctionnement est prometteur pour l'optimisation de son contrôle et, par conséquent, pour l'amélioration de ses performances.
Un logiciel open-source, AlphaPEM, basé sur ce modèle et implémenté en Python, a ensuite été développé et publié. Il présente une architecture modulaire qui facilite l'intégration de nouvelles fonctionnalités et comprend une interface graphique conviviale. AlphaPEM intègre également une méthode de calibration automatique, permettant une calibration précise du modèle à la pile à combustible spécifique étudiée. En utilisant ce logiciel, des informations détaillées sur les états internes en réponse à toutes densités de courant peuvent être calculées efficacement. Les performances statique et dynamique, caractérisées par les courbes de polarisation et d'EIS, peuvent aussi être simulées sous différentes conditions opératoires.
En outre, AlphaPEM ouvre la voie à l'usage de simulations avancées de piles à combustible dans les systèmes embarqués, car il permet des réponses précises et rapides sous des conditions opératoires dynamiques. Une version simplifiée du modèle a été formulée sous forme de représentation d'état, pour le rendre compatible avec un cadre de commande prédictive. Cela faciliterait l'optimisation des conditions opératoires de la pile à combustible à partir du modèle. En tant qu'application pratique, une stratégie de contrôle de l'humidité entrante dérivée du modèle est proposée, permettant théoriquement à la pile à combustible d'atteindre des puissances de sortie plus élevées tout en réduisant le risque de noyage.
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