Intérêt des PE pour la modélisation physique

Ce chapitre constitue une ouverture vers des travaux de recherche futurs qui pourraient être menés en utilisant la méthodologie des plans d’expérience (MPE) dans le domaine des PàC et en particulier dans l’optique du développement de modèles de connaissance. Nous pensons en effet que la MPE peut être très utile pour définir et organiser les essais destinés à obtenir des données permettant le calage et la validation de modèles physiques. La technique des PE doit aussi offrir une aide tout à fait pertinente afin de juger du niveau utile de complexité à adopter lors de l’élaboration ou lors du choix d’un modèle physique de pile ou de système pile, en vue d’une application donnée. Dans ce chapitre, nous montrons à travers trois exemples différents, comment la MPE peut être mise en œuvre pour caractériser des zone physiques particulières de la PàC, à savoir : les plaques bipolaires distribuant les gaz et les pertes de charges associées au passage des réactifs en leur sein, puis la membrane polymère et sa résistivité qui varie en fonction des conditions d’humidification. En dernier lieu, nous nous intéressons à nouveau à l’aspect vieillissement des PàC.

 Dans le but de modéliser un générateur PàC, ses différents éléments et actionneurs assurantle passage et le conditionnement des gaz, le L2ES et l’INRETS ont développé une modélisation dynamique de type monophasique (chaque réactif est pris sous la seule forme d’un mélange gazeux ; la présence d’eau liquide n’est pas prise en compte), basée sur une analogie électricité – fluidique [Chn05a] [Chn05b] [Chn04]. Chaque organe ou canalisation est représenté par un circuit RC (Résistance Capacité) qui permet de décrire d’une part les pertes de charges liées aux fluides, d’autre part le volume occupé par le mélange gazeux. Ce type de représentation macroscopique permet en génie électrique d’appréhender et de représenter de manière relativement aisée des mécanismes simples issus de la mécanique des fluides. Cette approche permet également de résoudre les problèmes de causalité rencontrés dans la phase de la modélisation multi-physique, correspondant au choix des variables d’entrée et de sortie pour les sous-modèles. Les lignes air et hydrogène de deux bancs d’essais (1kW et 10kW) disponibles sur la plateforme de Belfort ont ainsi été modélisées dans l’environnement Matlab-Simulink. Le calage et la validation des modèles ont été effectués à partir d’essais réalisés en statique et sur des profils de mission temps – courant. Des stratégies de pilotage des fluides ont ensuite été élaborées, implantées et testées en simulation [Chn04].

Ainsi, dans le cas d’une conduite représentée par un organe de volume V et une résistance fluidique Rf , les frottements liés aux pertes de charges sont pris en compte par le biais d’une résistance électrique tandis que le volume de gaz est représenté par une capacité. Les canaux d’une plaque distributrice (anode ou cathode) peuvent également être représentés d’une manière analogue. satisfaisante en considérant le cas particulier de la détermination des pertes de charge côtés cathode et anode d’un stack ne débitant aucun courant. Un plan d’expériences a donc été défini, à partir de différents facteurs : température de pile, température de rosée de l’air et hygrométrie relative en entrée de stack. Cette étude doit permettre de montrer comment réaliser le calage des modèles élémentaires fluidiques utilisés pour représenter les pertes de charge occasionnées par les plaques distributrices de gaz réactifs.

ETUDE PAR LA MPE

L’étude a été réalisée sur une pile de puissance nominale 500W, acquise auprès du constructeur allemand ZSW. Ce type de pile a déjà été utilisé lors des travaux décrits dans le chapitre III. Les plaques bipolaires sont en graphite usiné. Le stack est alimenté en hydrogène sec et en air humidifié ; il fonctionne à pression atmosphérique, avec une surpression autorisée jusqu’à 500mbars. Des informations supplémentaires sur le dispositif de test peuvent être trouvées dans le chapitre III. Le contrôle de la température de rosée est assuré au moyen d’un humidificateur à bulles couplé à un échangeur air/ eau froide [Mor03] [Har03rapport INRETS]. Le contrôle de l’humidité relative en amont du stack est effectué grâce à un réchauffeur.