Modélisation dynamique des phénomènes hydrauliques, thermiques et électriques dans un groupe électrogène à pile à combustible destiné à l’application automobile

Numerous demonstration vehicles powered by polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) systems have been released for the past ten years. Simulation is more and more used to evaluate and compare the performances of all possible technical solutions to avoid a multiplication of prototypes. A dynamic model of a fuel cell stack has been developed by means of software Matlab/Simulink. It can be integrated into a model of power module, including a stack and its auxiliaries.The modelled stack is conceived and built by the Italian Company Nuvera Fuel Cells Europe. Its main characteristic is the use of metallic foam to supply the electrodes with oxygen and hydrogen, instead of the channels traditionally used. More over, an injection of liquid water directly into the electrochemical cells ensures humidification and cooling simultaneously.The model deals with transient balances of mass and mechanical, thermal and electrical energy in the fluids and the structure. A division of the elementary cell along the flow of the fluids is allowed in this model. In each element, the dynamic simulation provides the evolution of the concentrations, temperatures, liquid water amount, current density, etc. Mechanistic models have been preferred to mathematical relations, in order to obtain a good capacity of predictionA 5 kW fuel cell stack has been tested to validate this model of stack. Each part of it (hydraulic, thermal, electrical, mass transfer) has been fitted and validated by means of specific tests and complementary modelling. This work brings out some problems of the basic concept of the fuel cell: the use of metallic foams and internal humidification. The maldistributions of temperature and current density detected have a negative impact on the global performances of the system.Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont depuis quelques années à l’origine de nombreuses réalisations de véhicules de démonstration. Pour éviter la multiplication des prototypes, la simulation est de plus en plus utilisée pour évaluer les performances de diverses solutions techniques envisageables. Un modèle dynamique de pile à combustible a été réalisé à l’aide du logiciel Matlab/Simulink. Il s’intègre à un modèle de groupe électrogène complet (pile + auxiliaires).La pile modélisée est conçue et fabriquée par l’entreprise italienne Nuvera Fuel Cells Europe. Sa particularité est l’utilisation d’un poreux pour l’alimentation en gaz des électrodes au lieu des canaux utilisés classiquement. Le refroidissement et l’humidification sont assurés simultanément par injection d’eau liquide directement en entrée de cellule électrochimique.Le modèle traite les bilans de masse et d’énergie mécanique, thermique et électrique dans les fluides et la structure en régime transitoire. Il permet une discrétisation de la cellule élémentaire le long de l’écoulement des gaz. Dans chaque tronçon le calcul permet de suivre au cours du temps l’évolution des concentrations, des températures, des fractions d’eau liquide, des densités de courant… Pour rendre ce modèle le plus prédictif possible, des lois physiques décrivant les phénomènes sont préférées à des relations purement mathématiques.Des essais ont été effectués sur une pile de 5kW grâce à un banc d’essais spécifique. Ils ont permis de valider le modèle de pile, par calage de chacun des modèles élémentaires correspondant aux phénomènes modélisés (hydraulique, thermique…). Ces travaux ont montré les problèmes causés par le concept de cette pile à humidification interne. En particulier, les hétérogénéités observées pour la température correspondent à des distributions non uniformes de la densité de courant sur la surface active des électrodes, et ont un impact non négligeable sur les performances globales du système