Modélisation de la pile PEM

Modélisation de la pile PEM 

La pile à combustible (P ÀC) est un système multi-physique, où plusieurs domaines d’études se superposent. Tout d’abord, le domaine chimique avec les réactions d’oxydoréduction de l’hydrogène et l’ oxygène. Ensuite, le domaine thermique puisque cette réaction chimique est exothermique, donc il y a aussi les processus de propagation de la chaleur à l’ intérieur de la PÀC à considérer. La mécanique des fluides est aussi un domaine à ne pas négliger avec les phénomènes de transport de masse dans laquelle la pile à combustible connait une variation de la résistance de sa membrane, dont la valeur dépend de son niveau d’ hydratation. Finalement, le domaine électrique qui se traduit par la courbe de polarisation de la PÀC. Tous ces phénomènes font que la PÀC connait plusieurs régimes transitoires pour chaque changement imposé par la charge qu ‘elle alimente.

Principe defonctionnement d ‘une PÀC 

Une cellule d’ une P ÀC est composée de 3 parties: une anode, une cathode et une membrane. L’alimentation en hydrogène se fait du côté de l’ anode: il est divisé (en présence du platine comme catalyseur) en proton (H+) et électron (e-); les protons traversent la membrane et les électrons vont suivre un circuit électrique extérieur. Cette réaction d’oxydation dans la demi-cellule est traduite par l’ équation:  H₂➜2H⁺+2e⁻

Pour reproduire l’ effet du flux d’ air et d’ hydrogène sur la constante du temps électrique de la P ÀC, l’ article cité dans la référence [38] utilise un modèle stationnaire amélioré en association avec un modèle dynamique. Les paramètres stationnaires associés aux chutes de tension ohmique, d’ activation et de concentration sont estimés à partir de la courbe de polarisation de la pile à combustible en utilisant un modèle non-linéaire. Ensuite, le modèle dynamique modélise essentiellement l’ effet du flux d’ air et d’hydrogène sur le potentiel de Nernst. Ce modèle reproduit la plupart des phénomènes transitoires de la pile à combustible et il est adopté dans ce mémoire pour valider les résultats des algorithmes proposés.

L’Institut de Recherche sur l’Hydrogène a longtemps travaillé sur les modèles expérimentaux comme dans la référence [39] où un modèle à base de l’ analyse transitoire du courant et de la tension a été proposé. La référence [40] propose aussi une autre validation expérimentale d’ un modèle d’ état de la pile à combustible avec ses auxiliaires de contrôle.

Problématique de la propagation des ondulations de courant 

La plupart des charges résidentielles sont des charges à courant alternatif, c’ est pourquoi l’ ajout d’un onduleur dans la chaine de conversion est nécessaire lors de l’ alimentation avec une source continue telle que la pile à combustible. Ceci dit, cette conversion introduit des ondulations du courant qui vont se propager tout au long des éléments de conversion (les éléments de l’électronique de puissance, les filtres, … ) pour atteindre finalement la pile à combustible. Une analyse détaillée de la propagation de ces ondulations de courant, de la charge vers la source est proposée dans la référence [41]. Un modèle de petit signal en utilisant un circuit équivalent est présenté pour extraire la fonction de transfert reliant les ondulations de courant de la charge aux ondulations de courant de P Àc.

Influence de l’architecture du convertisseur CC-CC

Le convertisseur cc-cc est l’ élément qui vient après la pile à combustible dans la chaîne de conversion. Plusieurs topologies ainsi que structures ont été proposées pour assurer des bonnes performances du système comme dans la référence [42] où plusieurs topologies ont été présentées et leurs performances ont été analysées. Dans la référence [43], une analyse a été faite pour présenter les critères qu’ il faut prendre en considération lors de l’ analyse de l’ interaction de la pile à combustible avec ses éléments de conversion. Ces critères sont: la dynamique d’ alimentation en hydrogène et oxygène, la dynamique de la réaction chimique de la pile au sein de la P ÀC et finalement la dynamique du système de conversion de pUIssance.

Influence des harmoniques et les ondulations de courant sur la pile à combustible 

L’ analyse de la génération et la propagation des ondulations de courant est très présent dans la littérature [44]-[49]. Plusieurs solutions ont été proposées pour réduire ces ondulations qui diffèrent en complexité de la solution, la complexité de la circuiterie utilisée, ainsi que la taille des éléments de stockage utilisés. Ces critères doivent être pris en considération lors de la comparaison entre les différentes méthodes proposées. Dans la référence [50], il précise que pour avoir une réduction de ces ondulations, il faut: installer des filtres capables de réduire l’ amplitude des ondulations, augmenter la capacité de l’ élément de stockage ou bien réduire le temps de réponse de la boucle de régulation de tension du convertisseur CC-CC. Cette dernière solution va surement avoir un impact sur la qualité d’onde fournie par le convertisseur CC-CA. L’influence des harmoniques de courant sont aussi l’un des sujets discutés, dans les références [51]-[52] où une analyse détaillée de la source des harmoniques ainsi que des solutions visant leurs réductions a été présentée. Généralement, les harmoniques de hautes fréquences sont facilement filtrées par les éléments de stockage des convertisseurs de puissance. Par contre, les harmoniques de basse fréquence contiennent assez d’ énergie pour atteindre la pile à combustible. La problématique des harmoniques peut donc se résumer à l’élimination des ondulations de courant.

Influence des fluctuations de la charge sur la pile à combustible 

Les variations de la charge entraînent l’apparition de plusieurs phénomènes transitoires au sein de la pile à combustible. Leurs constantes de temps peuvent s’étaler de quelques microsecondes à plusieurs minutes voire des heures. La réponse de la pile à combustible visà-vis de ces variations est présentée dans plusieurs études [53]-[55]. L’ensemble des études convergent vers la même conclusion. Les fortes variations de la charge doivent être minimisées pour assurer un bon fonctionnement de la pile, et ce avec l’ajout d’autres éléments de stockage associés à des stratégies de partage de puissance pour assurer l’alimentation de la charge lors du régime transitoire [56].