Modélisation, expérimentation et émulation de piles à combustible

Animateur d’axe : Fei Gao, MCF

Cet axe repose sur trois thématiques de recherche très liées : la modélisation multiphysique de piles à combustible, sa validation expérimentale et ses applications temps réel. L’axe concerne trois types de piles à combustible spécifiques : PEMFC, SOFC et IT-SOFC.

Différents modèles réalisés dans la fédération recherche FC LAB

La première thématique correspond au développement de modèles analytiques, semi-empiriques, ou empiriques de piles à combustible et de systèmes pile à combustible. Ces modèles sont par essence de nature multiphysique (électriques, fluidiques, électrochimiques, thermiques, mécaniques, etc.) et multi-échelles (de temps et d’espace). Les modèles développés dans le cadre de la fédération de recherche FC LAB comprennent des modèles énergétiques simples orientés contrôle/commande du système jusqu’aux modèles CFD (Computational Fluid Dynamic) très fins orientés conception/optimisation du cœur de piles à combustible.

Banc de test expérimentaux de piles à combustible de la fédération de recherche FC LAB

Ces modèles ont été ensuite validés expérimentalement, en conditions nominales de fonctionnement, mais également en conditions extrêmes de fonctionnement (températures d’ambiance négatives, vibrations, cycles d’usages électriques, etc.). Ces validations expérimentales ont été réalisées en utilisant et développant les moyens d’essais uniques en France et quasi-uniques en Europe, présents sur la plateforme de Belfort.

Applications temps réel : émulation de piles à combustible et contrôle/commande basé sur les modèles temps réel

Certains modèles développés ont été implantés en temps réel (après une étape de réduction de modèles si nécessaire), dans l’objectif de réaliser des émulateurs destinés à des applications HIL (Hardware in the Loop), ou pour l’implémentation dans des contrôleurs basés sur les modèles, permettant un prototypage rapide ou une optimisation des lois de commande pour les systèmes pile à combustible.

Thèmes de recherches futures

Les futures recherches envisagées de l’axe « modélisation, expérimentation et émulation de piles à combustible » à court et moyen terme se focalisent sur quatre points différents :

1)     Les modèles du vieillissement/de la dégradation de piles à combustible : très demandé par les industriels, la modélisation du vieillissement est un point essentiel pour caractériser la durée de vie d’une pile à combustible.

2)     Les modèles de piles à combustible qui prennent en compte des conditions extrêmes (noyage de l’électrode, démarrage à température négative). Ces derniers permettent d’analyser les impacts de ces conditions sur la performance des piles à combustible.

3)     Le développement du protocole et de la plateforme de test de vieillissement accéléré, en se basant notamment sur des cyclages thermiques, électriques ou sur des alimentations ad-hoc au niveau des gaz réactifs.

4)     Les modèles multidimensionnels (2-D ou 3-D) temps réel orientés diagnostic et contrôle, afin de développer des lois de commande basées sur une analyse spatiale en temps réel des grandeurs physiques dans une pile à combustible (la distribution de densité de courant par exemple).

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