Analyse et optimisation du fonctionnement de piles à combustible par la méthode des plans d’expériences
Institution:
BesançonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The Design of Experiment (DoE) methodology can be a suitable medium to characterise, analyse and also improve a complex system like a Fuel Cell (FC). After a brief overview of the PEMFC technology with its operating constraints, the author provides some essential elements of the DoE methodology. This one is then applied to various cases. Some experimental designs are first proposed to evaluate the influences of the gas pressures and flow rates over the maximal power reached by a PEMFC. The analyses made for the full factorial and fractional designs lead to similar results: a major influence of the air flow. Next, the tools proposed in this work are developed to analyse some data collected from a 5kW PEMFC. The current, temperature, gas pressure and stoichiometry rate impacts over the FC voltage are estimated; some possible interactions between the factors are highlighted as well. The optimisations of the FC operation parameters leading to high performances are performed afterwards thanks to statistical models. Then, the analysis of a durability test performed on a PEMFC stack operated during 1000 hours is made using the Response Surface Methodology. This study shows notably the interest of using some variable stoichiometry rates through ageing time in order to obtain both high voltages and lower cell voltage variability. At last, the author shows how the DoE methodology can contribute to a deeper understanding of the FC physical phenomena. Three different domains are concerned: the pressure losses in the bipolar plates, the impact of humidification on the stack internal resistance, and the ageing of a stack operated at high temperature level.
Abstract FR:
La Méthode des Plans d’Expériences (MPE) est un moyen efficace pour caractériser, analyser et améliorer un système Pile à Combustible (PàC). Après un bref aperçu de son fonctionnement et de ses contraintes, l’auteur communique des éléments essentiels de la MPE. Celle-ci est ensuite appliquée à différents cas. Une première étude destinée à étudier l’influence des débits et des pressions de gaz sur la puissance maximale d’une pile PEM est d’abord réalisée. L’impact majeur du débit d’air est mis en évidence à la fois par des plans complet et fractionnaire. Les plans et outils logiciels développés sont alors utilisés pour analyser des essais collectés sur une pile 5kW. Ils permettent d’exprimer clairement et quantitativement les incidences sur les performances de la PàC des paramètres courant, température, pression et surstoechiométries des réactifs. Des interactions entre facteurs sont aussi décelées. Une modélisation statistique de la tension en fonction des paramètres étudiés est mise en oeuvre ultérieurement pour optimiser les conditions opératoires. La Méthode des Surfaces de Réponse est ensuite utilisée pour analyser un essai d’endurance réalisé sur 1000 heures. L’intérêt d’adopter des surstoechiométries variables au cours du temps pour aboutir à des tensions de cellules élevées et présentant une faible dispersion est démontré. L’auteur indique finalement comment la MPE peut contribuer à une meilleure compréhension de la physique des PàC. Trois domaines sont considérés : les pertes de charge dans les plaques bipolaires, l’impact de l’humidification sur la résistance interne du stack et le vieillissement à une température de fonctionnement haute.