´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Gestion de l’air dans les piles `a combustible de type PEM ´ — Etat de l’art et prospectives —
Benjamin Blunier, Abdellatif Miraoui
[email protected]
2–3 avril 2008 Journ´ ees th´ ematiques Soci´ et´ e Fran¸caise de Thermique (CEA, Grenoble) Piles ` a combustible ` a membrane PEMFC, mod´ elisation et retour d’exp´ erience 1 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
1
´ Etat de l’art et objectifs des syst`emes pile `a combustible Pr´esentation du syst`eme P`aC Verrous technologiques du syst`eme P`aC Objectifs et travaux
2
Syst`eme d’alimentation en air Rˆole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst`emes de compression et d’humidification Synth`ese sur la gestion de l’air
3
Simulation et validation exp´erimentale Banc de tests R´esultats exp´erimentaux et simul´es Pr´ediction de la puissance de la pile
4
Conclusion et perspectives 2 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Plan 1
2
3
4
´ Etat de l’art et objectifs des syst`emes pile `a combustible Pr´esentation du syst`eme P`aC Verrous technologiques du syst`eme P`aC Objectifs et travaux Syst`eme d’alimentation en air Rˆole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst`emes de compression et d’humidification Synth`ese sur la gestion de l’air Simulation et validation exp´erimentale Banc de tests R´esultats exp´erimentaux et simul´es Pr´ediction de la puissance de la pile Conclusion et perspectives 3 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (1/2) Propri´et´es de la pile PEFC
(H2 +
1 2
O2 → H2 O + ´ electricit´ e + chaleur)
Production de chaleur (`a ´evacuer) Production d’´electricit´e Production d’eau (`a ´evacuer) Tension de sortie non constante Besoins de la pile `a combustible Alimentation en combustible (H2 ) sous pression Alimentation en comburant (O2 ) sous pression Humidification de la membrane
4 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (1/2) Propri´et´es de la pile PEFC
(H2 +
1 2
O2 → H2 O + ´ electricit´ e + chaleur)
Production de chaleur (`a ´evacuer) Production d’´electricit´e Production d’eau (`a ´evacuer) Tension de sortie non constante Besoins de la pile `a combustible Alimentation en combustible (H2 ) sous pression Alimentation en comburant (O2 ) sous pression Humidification de la membrane Conclusion N´ecessit´e d’un grand nombre d’auxiliaires pour satisfaire les besoins de la pile et assurer son bon fonctionnement
4 / 30
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Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes
1111111 0000000 0000000 1111111 0000000 1111111 0000000 1111111 Stack
5 / 30
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Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes Hydrog`ene
Valve Stockage hydrog` ene H2
1111111 0000000 0000000 1111111 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Stack
Valve
5 / 30
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Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes Hydrog`ene Air
Valve Stockage hydrog` ene H2
1111111 0000000 0000000 1111111 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Stack
Expanseur (optionnel) M
Valve air+eau
air
air
Moto-compresseur
5 / 30
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Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes Hydrog`ene Air Humidification
Valve Stockage hydrog` ene H2
1111111 0000000 0000000 1111111 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Stack
Expanseur (optionnel)
Syst` eme d’humidification
M
Valve air
air+eau Condenseur
eau
air
Moto-compresseur
5 / 30
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Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes Hydrog`ene Air Humidification Refroidissement Valve Stockage hydrog` ene H2
1111111 0000000 0000000 11 1111111 00 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Refroidissement
Stack
Expanseur (optionnel)
Syst` eme d’humidification
M
Valve air
air+eau Condenseur
eau
air
Moto-compresseur
5 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes Hydrog`ene Air Humidification Refroidissement Valve Stockage hydrog` ene H2
Puissance
1111111 0000000 0000000 11 1111111 00 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Refroidissement
Stack
Expanseur (optionnel)
Syst` eme d’humidification
M air AC DC Moto-compresseur
DC DC
Valve air
air+eau Condenseur
eau
Convertisseurs statiques
Bus continu
5 / 30
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Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes Hydrog`ene
Contrˆ ole, supervision
Air Humidification Refroidissement Valve Stockage hydrog` ene H2
Puissance
1111111 0000000 0000000 11 1111111 00 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Refroidissement
Stack
Expanseur (optionnel)
Syst` eme d’humidification
M air AC DC Moto-compresseur
DC DC
Contrˆole Valve air
air+eau Condenseur
eau
Convertisseurs statiques
Bus continu
5 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Syst`eme pile `a combustible (2/2) Sous-syst`emes Hydrog`ene
Contrˆ ole, supervision
Air Humidification Refroidissement Valve Stockage hydrog` ene H2
Puissance
1111111 0000000 0000000 11 1111111 00 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Refroidissement
Stack
Expanseur (optionnel)
Syst` eme d’humidification
M air AC DC Moto-compresseur
DC DC
Contrˆole Valve
Condenseur eau
Convertisseurs statiques
Bus continu
air
air+eau
Conclusion Le syst`eme pile est complexe ⇒ n´ecessite une approche globale pour la conception et l’optimisation 5 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Verrous technologies du syst`eme P`aC Verrous (applications transports) Coˆ ut : concerne le syst`eme Dur´ee de vie : concerne principalement le cœur de pile D´emarrage `a froid : concerne principalement le cœur de pile et certains auxiliaires Compacit´e : concerne le syst`eme Temps de r´eponse : concerne principalement les auxiliaires
6 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Verrous technologies du syst`eme P`aC Verrous (applications transports) Coˆ ut : concerne le syst`eme Dur´ee de vie : concerne principalement le cœur de pile D´emarrage `a froid : concerne principalement le cœur de pile et certains auxiliaires Compacit´e : concerne le syst`eme Temps de r´eponse : concerne principalement les auxiliaires
Densit´e de puissance volumique (W/l) 650 Densit´e de puissance (W/kg) 650 500
500 400 400
Coˆ ut (EUR) 22 146
82
1 000 3 1.5 1 Temps de r´eponse (s) ´ Etat 2003
2 000
5 000 Dur´ee de vie (h) avec cycles ´ Etat 2005
Objectifs 2010 6 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Objectifs et travaux sur le gestion de l’air Contrˆ ole, supervision
Valve Stockage hydrog` ene H2
1111111 0000000 0000000 11 1111111 00 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Refroidissement
Stack
Expanseur (optionnel)
Syst` eme d’humidification
M air AC DC Moto-compresseur
DC DC
Valve air
air+eau Condenseur
eau
Convertisseurs statiques
Bus continu
7 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pr´ esentation du syst` eme P` aC Verrous technologiques du syst` eme P` aC Objectifs et travaux
Objectifs et travaux sur le gestion de l’air Contrˆ ole, supervision
Valve Stockage hydrog` ene H2
1111111 0000000 0000000 11 1111111 00 0000000 1111111 0000000 1111111 Stack
Syst` eme d’humidification
M air AC DC Moto-compresseur
Choix et mod´elisation du compresseur
Pompe de recirculation
Refroidissement
Expanseur (optionnel)
Gestion de l’air Influence du compresseur sur le syst`eme pile `a combustible
DC DC
Valve
Condenseur eau
Convertisseurs statiques
Bus continu
air
air+eau
Choix de l’humidification Mod´elisation de la P`aC orient´ee gestion de l’air 7 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Plan 1
2
3
4
´ Etat de l’art et objectifs des syst`emes pile `a combustible Pr´esentation du syst`eme P`aC Verrous technologiques du syst`eme P`aC Objectifs et travaux Syst`eme d’alimentation en air Rˆole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst`emes de compression et d’humidification Synth`ese sur la gestion de l’air Simulation et validation exp´erimentale Banc de tests R´esultats exp´erimentaux et simul´es Pr´ediction de la puissance de la pile Conclusion et perspectives 8 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Rˆole et objectifs du syst`eme d’alimentation en air Contraintes Air exempt d’huile
Rˆole Transport de l’air
Limitation des ondulations de pression
Purification de l’air Mise sous pression du syst`eme
Bonne dynamique Compacit´e ´elev´ee
Humidification de l’air Valve Stockage hydrog` ene H2
Refroidissement
11 00
Expanseur (optionnel)
1111111 0000000 0000000 1111111 0000000 1111111 0000000 1111111
Pompe de recirculation
Syst` eme d’humidification
M air AC DC Moto-compresseur
Stack
DC DC
Valve air
air+eau Condenseur
eau
Convertisseurs statiques
Bus continu
9 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : haute ou basse pression ? Avantages de la haute pression Am´elioration du rendement du cœur de pile (Vgain )
Inconv´enients de la haute pression Diminution du rendement du syst`eme (Vperte )
10 / 30
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : haute ou basse pression ? Avantages de la haute pression Am´elioration du rendement du cœur de pile (Vgain )
Inconv´enients de la haute pression Diminution du rendement du syst`eme (Vperte )
0,02 Bilan :∆V = Vgain − Vperte
0,015 0,01
rp,opt = 2, 95 ∆Vmax = 0, 015 V
∆V
0,005 0
∆Vmax = 0, 007 V rp,opt = 2, 04
-0,005 -0,01
³ ´
Vperte = ν k
µ³ ´ γ−1 γ
p2 p1
p2 p1
¶ −1
ν=2
-0,015 -0,02
ν = 1, 8
Vgain = C ln
ν=3 1
1,5
2
2,5
3 3,5 rp = p1 /p2
4
4,5
5 10 / 30
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : haute ou basse pression ? Avantages de la haute pression Am´elioration du rendement du cœur de pile (Vgain )
Inconv´enients de la haute pression Diminution du rendement du syst`eme (Vperte )
Am´elioration de la gestion de l’eau
Quantit´e d’eau: eau (g)/air sec (kg) 700
φ = 50 % φ = 60 %
600 quantit´e d’eau ×3
500
φ = 70 % φ = 80 % φ = 90 % φ = 100 %
400 300 200 100 0
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Pression de fonctionnement (×105 Pa)
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : haute ou basse pression ? Avantages de la haute pression Am´elioration du rendement du cœur de pile (Vgain ) Am´elioration de la gestion de l’eau Syst`eme compact
Inconv´enients de la haute pression Diminution du rendement du syst`eme (Vperte )
10 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : haute ou basse pression ? Avantages de la haute pression Am´elioration du rendement du cœur de pile (Vgain ) Am´elioration de la gestion de l’eau Syst`eme compact
Inconv´enients de la haute pression Diminution du rendement du syst`eme (Vperte )
Conclusion Le choix de la pression de fonctionnement r´esulte d’un compromis entre les objectifs de compacit´e, de gestion de l’eau et du rendement du syst`eme Suivant le syst`eme la pression optimale est d’environ 1, 5 − 2, 5 bar
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : quel type de compresseur ? Compresseurs dynamiques Turbocompresseur (turbocharger) centrifuge (centrifugal)
axial (axial)
soufflante (blower) canal lat´eral (side channel)
radial (radial)
Compresseurs volum´etriques Volum´etrique (supercharger) alternatifs piston (piston)
membrane (membrane)
rotatifs becs (claw)
vis (vis)
lobes (lobes)
spirales (scroll) 11 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : avec ou sans compression interne ? Deux sous-familles de compresseurs volum´etriques 1
Sans compression interne (compression isochore)
2
Avec compression interne (variation de volume)
Compression externe p2 Pression
Travail de compression : Z p2 W = V dp p1
p1
Volume
V1
12 / 30
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : avec ou sans compression interne ? Deux sous-familles de compresseurs volum´etriques 1
Sans compression interne (compression isochore)
2
Avec compression interne (variation de volume) Compression isentropique p V γ = cste
Compression externe
p2′′ p2
Travail de compression : Z p2 W = V dp
Pression
p2′
p1
p1
V2′
Volume
V1
12 / 30
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : avec ou sans compression interne ? Deux sous-familles de compresseurs volum´etriques 1
Sans compression interne (compression isochore)
2
Avec compression interne (variation de volume) Compression Compression isentropique isotherme p V = cste p V γ = cste
Compression externe
p2′′ p2 plus de refroidissement
Pression
p2′
plus de friction
Travail de compression : Z p2 W = V dp p1
p1
V2 V2′
Volume
V1
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : synth`ese Objectifs, L´egende Volume 1
1Huile
1 Masse 1
Comparaison
Pression 2.5
1 Ondulations de pression pression 2.5
pr´esence d’huile 0 1 avec sans ondulations de pression 0 1 avec sans 0 lourd
masse
Centrifuge
Becs
Lobes
Membrane
Piston
Palettes
Vis
Scroll
Canal lat´eral
1 l´eger
volume 0 1 encombrant compact
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Syst`eme de compression : synth`ese Objectifs, L´egende Volume 1
Pression 2.5 1Huile
1 Masse 1
Comparaison
1 Ondulations de pression pression 2.5
pr´esence d’huile 0 1 avec sans ondulations de pression 0 1 avec sans 0 lourd
masse
Centrifuge
Becs
Lobes
Membrane
Piston
Palettes
Vis
Scroll
Canal lat´eral
1 l´eger
volume 0 1 encombrant compact
13 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Topologies : syst`eme de compression Topologies envisageables 1
Compresseur seul (centrifuge ou volum´etrique)
2
Compresseur-expanseur (centrifuge ou volum´etrique)
3
Compresseur volum´etrique et turbocompresseur
111111111111111 000000000000000 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 Stack 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 M
C
Avantage Simple et compact V
Inconv´enient Efficacit´e plus faible
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Topologies : syst`eme de compression Topologies envisageables 1
Compresseur seul (centrifuge ou volum´etrique)
2
Compresseur-expanseur (centrifuge ou volum´etrique)
3
Compresseur volum´etrique et turbocompresseur
111111111111111 000000000000000 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 Stack 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 T
M
C
Avantage Efficacit´e plus ´elev´ee Inconv´enient Complexe (plus cher)
14 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Topologies : syst`eme de compression Topologies envisageables 1
Compresseur seul (centrifuge ou volum´etrique)
2
Compresseur-expanseur (centrifuge ou volum´etrique)
3
Compresseur volum´etrique et turbocompresseur
111111111111111 000000000000000 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 Stack 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 C
M
T
C
Avantage Efficacit´e plus ´elev´ee Inconv´enient Tr`es complexe (plus cher)
14 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Topologies : syst`emes d’humidification Topologies envisageables ´ 1 Echangeur de chaleur et de masse 2
Injection directe d’eau (compresseur-humidificateur int´egr´es)
air
Valve ´ Echangeur de chaleur et de masse
1111111111 0000000000 0000000000 1111111111 0000000000 1111111111 0000000000 1111111111 0000000000 1111111111 0000000000 1111111111
Avantages Simple et consommation ´energ´etique suppl´ementaire nulle Inconv´enients Syst`eme passif Difficilement contrˆolable 15 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Topologies : syst`emes d’humidification Topologies envisageables ´ 1 Echangeur de chaleur et de masse 2
Injection directe d’eau (compresseur-humidificateur int´egr´es)
111111111 000000000 000000000 111111111 000000000 111111111 000000000 111111111 000000000 111111111 000000000 111111111 air
Contrˆole Valve ´electromagn´etique d’injection intermittente R´eservoir d’eau
Condenseur air Valve
Avantages Efficacit´e de la compression, compacit´e, contrˆolabilit´e
Circuit d’eau
Inconv´enients Lois de contrˆole `a mettre en œuvre 15 / 30
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Synth`ese de la gestion de l’air Constats 1 Le syst` eme pile est complexe : la mod´elisation du syst`eme de gestion de l’air doit n´ecessairement prendre en compte le mod`ele de la pile `a combustible B. Blunier, A. Miraoui. Modelling of Fuel Cells using Multi-Domain VHDL-AMS Language, Journal of Power Sources, 177 (2) pp 434–450, 2007 2
La mod´elisation du compresseur doit ˆetre assez fine afin de pouvoir d´eterminer : la consommation ´energ´etique (efficacit´e) les relations entre le d´ebit, la vitesse de rotation et la pression les ondulations de pression 1. B. Blunier, G. Cirrincione, and A. Miraoui. Novel Geometrical Model of Scroll Compressors for the Analytical Description of the Chamber Volumes. In 18th International Compressor Engineering Conference at Purdue, number C074, 17-20 July 2006. 2. B. Blunier, G. Cirrincione, Y. Herv´ e et A. Miraoui. A New analytical and Dynamical Model of a Scroll Compressor With Experimental Validation, International Journal of refrigeration, 2007 (Article soumis) 16 / 30
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Rˆ ole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst` emes de compression et d’humidification Synth` ese sur la gestion de l’air
Synth`ese et choix Pression de fonctionnement 1, 5 − 2, 5 bar Choix du compresseur Centrifuge, scroll ou lobes Topologie du syst`eme de compression Compresseur seul ou compresseur/expanseur Syst`eme d’humidification ´ Echangeur de chaleur et de masse ou compresseur-humidificateur int´egr´es 17 / 30
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Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
Plan 1
2
3
4
´ Etat de l’art et objectifs des syst`emes pile `a combustible Pr´esentation du syst`eme P`aC Verrous technologiques du syst`eme P`aC Objectifs et travaux Syst`eme d’alimentation en air Rˆole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst`emes de compression et d’humidification Synth`ese sur la gestion de l’air Simulation et validation exp´erimentale Banc de tests R´esultats exp´erimentaux et simul´es Pr´ediction de la puissance de la pile Conclusion et perspectives 18 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
Pr´esentation du banc de tests Aspiration
Capteur de pression Capteur de temp´erature Refoulement Thermocouple (surface)
Tˆete de compression MSAP (1,2 kW)
Zoom
Ventilateur de refroidissement
Convertisseur statique ´ Electrovanne Boˆıtier d’interface D´ebitm`etre Capteur de pression
Capteur de temp´erature Alimentation continue (48 V)
Caract´eristiques du banc de tests Modulaire : permet de tester plusieurs types de compresseurs Automatis´e : tests reproductibles 19 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
Pr´esentation de l’interface utilisateur et automatisation Interface utilisateur Tests manuels Param´etrisation des tests Param`etres de s´ecurit´e
Script d’automatisation ´ Ecrit en Python D´etecte les limites du compresseur Cr´eation d’un fichier de donn´ees exploitables directement Cr´eation d’un fichier journal des ´ev`enements
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
R´esultats simul´es et valid´es : d´ebit-vitesse (scroll) 35
D´ebit (g/s)
30
simulation
25 20 15 10
experimental
5 0
0
500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 Vitesse de rotation (tr/min)
Cons´equences D´ependance d´ebit-vitesse bijective Contrˆole sans capteurs possible Contrˆole simplifi´e : d´ecouplage de la r´egulation de pression et de d´ebit 21 / 30
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Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
R´esultats simul´es et valid´es : d´ebit-vitesse (scroll) Compresseur centrifuge
35
D´ebit (g/s)
30
simulation
25 20 15 10
experimental
5 0
0
500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 Vitesse de rotation (tr/min)
Cons´equences D´ependance d´ebit-vitesse bijective Contrˆole sans capteurs possible Contrˆole simplifi´e : d´ecouplage de la r´egulation de pression et de d´ebit 21 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
R´esultats simul´es et valid´es : iso-puissances Exp´erimental
450
Simulation
800
430
750
R´esultats Bonne pr´edition de la puissance du compresseur Hypoth`ese adiabatique ⇒ erreurs 22 / 30
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Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
Exploitation des r´esultats : m´ethode de pr´ediction de la puissance nette de la pile `a combustible Puissance brute Pbrute (simul´ee ou exp´erimentale) 3
Puissance compresseur Pcomp (simul´ee ou exp´erimentale) 3
12000 2.8
10000
2.4
1600
2.6
1400
2.4 8000
2.2 p, (bar)
1800
2.8
2.6
5400
3300
7800
9900
12900
11700
2.2
12600
2 6000
1700 1500
1200
1900
1300
2
1000
1100 1.8
900
1.8 4000
1.6
800
700 1.6
600 500
1.4 2000
1.4
400 300
1.2
1.2
200 100
2
4
6
8
10
12 q (g/s)
14
16
18
20
22
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Puissance nette Pnette 3 11000
2.8
10000 2.6 9000 2.4 8000
p, (bar)
2.2
7000 6000
2
6000
7200 8700
5000
10200
1.8
11100
Pnette = Pbrute − Pcomp − Paux
4000
1.6 11700
3000
1.4 12000
2000
1.2
1000
2
4
6
8
10
12 q (g/s)
14
16
18
20
22
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Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
Exploitation des r´esultats : exemple 1 Scroll (compression interne)
Confidentiel (sans compression interne)
3
3
2,8
2.8
2,6
2.6
2,4 p (bar)
p (bar)
2.4
2,2
6 000 7 200 8 700 10 200 11 100 11 700
2 1,8 1,6 1,4
2.2 2 1.8 1.6 900 3 000 1.4
12 000
6 000 8 100 10 200 11 100 12 000
1.2
1,2 2
4
6
8
10 12 14 q (g/s)
16
18
20
22
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 q (g/s)
Conclusion Compression interne : plus haute pression pour la mˆeme puissance nette (meilleur rendement de compression) Humidification facilit´ee
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Banc de tests R´ esultats exp´ erimentaux et simul´ es Pr´ ediction de la puissance de la pile
Exploitation des r´esultats : exemple 2 Comparaison des puissances de trois compresseurs pour un fonctionnement `a 1,6 bars 2 500
Scroll Lobe Vis
2 000
Pe kW
1 500 1 000 500 0
0
5
10
q (g/s)
15
20
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Plan 1
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3
4
´ Etat de l’art et objectifs des syst`emes pile `a combustible Pr´esentation du syst`eme P`aC Verrous technologiques du syst`eme P`aC Objectifs et travaux Syst`eme d’alimentation en air Rˆole et objectifs Choix du compresseur Topologies des syst`emes de compression et d’humidification Synth`ese sur la gestion de l’air Simulation et validation exp´erimentale Banc de tests R´esultats exp´erimentaux et simul´es Pr´ediction de la puissance de la pile Conclusion et perspectives 26 / 30
´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Conclusion
´ Etat de l’art de la gestion de l’air des P`aCs Gestion de l’air des syst`emes pile `a combustible Comparaison des compresseurs et choix privil´egi´es Perspectives : approche syst´emique
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pour en savoir plus (1/2) Benjamin Blunier and Abdellatif Miraoui. Piles ` a combustible, Principe, mod´ elisation et applications avec exercices et probl` emes corrig´ es. Ellipses, Technosup. 2007. Benjamin Blunier and Abdellatif Miraoui. Air management in pem fuel cell : State-of-the-art and prospectives. In ACEMP’07, Electromotion, pages 245–253. IEEE-PES-MSC, sep 2007. Invited paper. Benjamin Blunier and Abdellatif Miraoui. Modelling of fuel cells using multi-domain VHDL-AMS language. Journal of Power Sources, 177(2) :434–450, 2007. Benjamin Blunier Mod´ elisation de moto-compresseurs en vue de la gestion de l’air dans les syst` emes pile ` a combustible — simulation et validation exp´ erimentale. Th` ese de Doctorat, Universit´ e de Technologie de Belfort-Montb´ eliard, 7 d´ ecembre 2008.
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Pour en savoir plus (2/2) Benjamin Blunier, Giansalvo Cirrincione, and Abdellatif Miraoui. Novel geometrical model of scroll compressor for the analytical description of the chamber volumes. In Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Purdue, number CO74, 2006. Benjamin Blunier, Marcello Pucci, Giansalvo Cirrincione, Maurizio Cirrincione, and Abdellatif Miraoui. A scroll compressor with a high performance sensorless induction motor drive for the air management of a pemfc system for automotive applications. IEEE Transaction on Vehicular Technology, 2007. In print. Benjamin Blunier, Marcello Pucci, Giansalvo Cirrincione, and Abdellatif Miraoui. A scroll compressor with a high performance induction motor drive for the air management of a pemfc system for automotive applications. IEEE Transactions on Industry Applications., 2008. In print.
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´ Etat de l’art et objectifs des syst` emes pile ` a combustible Syst` eme d’alimentation en air Simulation et validation exp´ erimentale Conclusion et perspectives
Gestion de l’air dans les piles `a combustible de type PEM ´ — Etat de l’art et prospectives —
Benjamin Blunier, Abdellatif Miraoui
[email protected]
2–3 avril 2008 Journ´ ees th´ ematiques Soci´ et´ e Fran¸caise de Thermique (CEA, Grenoble) Piles ` a combustible ` a membrane PEMFC, mod´ elisation et retour d’exp´ erience 30 / 30
