Utiles pour la modélisation du système - Home page
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T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Modélisation courbe U/I et utiles pour la modélisation du système Thomas Nietsch »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. Plan • Variation Pression Température T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Model de la courbe UI Lambda • Equation de Nernst • Etude paramétrique • Conclusion Utiles pour la modélisation du système »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Model de la courbe UI »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. Courbes de polarisation sous O2 - H2 Tension (V) T = 65°C T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Variation pression augmentation en rendement/performance par pression P=4/4 bar abs. P=3/3bar abs. P=2/2 bar abs. P=1,3/1,3 bar abs. Densité de courant (A/cm²) »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. STACK (5 éléments)-503-3 Courbes de polarisation sous O2, pH2/O2=3/3,T=50°C 5,5 5 T=50°C T=75°C Tension (V) 4,5 T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Variation température 4 3,5 3 2,5 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Densité de courant (A/cm²) »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. 1 1,1 Variation lmbda 5,5 sO2/H2=1,5/1,01 5 sO2/H2=1,55/1,2 Tension (V) 4,5 T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement STACK (5 éléments)-503-3 INFLUENCE DE LA STOCKIOMETRIE - COURBES DE POLARISATION SOUS O2 PH2/O2=3/3 bar abs.,T=75°C 4 3,5 3 2,5 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Densité de courant (A/cm²) »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. 1 1,1 1,2 perds hydrogène par diffusion travert les membranes perds pour la activations des réactions chimiques Umoyen V 1 T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Les régimes 0,8 pente ~ résistance interne de stack 0,6 0,4 2 bar transfère de matière est limitant 3 bar 0,2 4 bar Andrew Dicks 0 0 200 400 600 i 800 mA/cm2 »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. 1000 Typical Fuel Cell Characteristic 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 Activation Overpotential Region U [[V] T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement (Polarization Curve) T=70° C, p=1,2bar, λair=2, λH2=1.5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Current Density [A/cm²] Mads Pagh Nielsen, Aalborg University, 2008 »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. Distribution of losses (overpotentials) in a PEM fuel cell Cathodic Overpotential Membrane Losses Ohmic Losses T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Open Circuit Potential Anode Overpotential V = E0 − η ohmic − η activation ,anode − η activation ,cathode − η concentration Where E 0 is the equilibrium potential (the unloaded cell potential) [V], ηohmic is the sum of the potential drops due to ohmic resistances (including protonic resistance in the membrane) [V] and ηactivation,cathode/ anode is the activation overpotential in anode and cathode. Source: Inspired by a figure made by Bernadi & Verbrugge, 1992 PaghdeNielsen, 2008 sans son autorisation »Ce documentMads est la propriété HELION etAalborg ne peut êtreUniversity, reproduit ou communiqué »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. U = U (∆h H 2 ) − U ohm − U activation − U concentration i + in U = U 0 − (i − i n )r − A ln i0 T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Equation de Nernst i + in + B ln1 − il _ U0 Tension réversible en circuit ouvert in * Courant équivalent de débit in = 2F n d’hydrogène perdu par diffusion J As As travers la membrane etc. « fuel cross F = 96500 = 96500 /( ±10 ) Vmol mol mol over » Pente de Tafel Exchange current density Constant de transfère de matière Courrant spécifique qui correspondant au transfère de matière maximale Résistance interne R = U/i A i0 B il r − ∆ hf U0 = 2F »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. 1.1 Courant équivalent de débit d’hydrogène perdu par diffusion travers la membrane in 1.2 Exchange current density : i0 Si la densité de courant est égale à zéro, ou le circuit est ouvert, la réaction suivante peut être observée sur la cathode (côté oxygène) : Cet à dire que la réaction est en équilibre ou la vitesse de la décomposition d’oxygène est égale à la vitesse de formation d’oxygène. Cette situation est accompagnée par un courant d’électrons i0, la « exchange current density ». Si cette densité est élevée, la densité de courant en circuit fermé sera élevée. Donc une « exhange current density » élevée est désirable. La même situation se trouve à la coté combustible (anode) sauf que la « exchange current density » ou la vitesse de la réaction est beaucoup plus rapide, de l’ordre 105 donc le perde à l’anode est en général négligeable. 1.3 Résistance interne r: Attention : s’agit ici d’une résistance multiplié par la surface corespendant ! T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Le débit d’hydrogène que travers la membrane soit n*, donc est perdu pour la génération des électrons, même en circuit ouvert: La résistence interne de pile est égal de la somme de chaque élement de la pile : câbles, connections, anode, cathode, plaque bipolaire et membrane. 1.3.1 Anode et cathode : Les électrodes doivent être poreux pour laisser passer les gaz (hydrogène, oxygène et vapeur) donc une grande porosité va réduire la résistance pour le transfert de gaz mais va en même temps réduire le contact entre les grains d’électrode et donc augmenter la résistance électrique. 1.3.2 Membrane : La résistance électrique de la membrane est proportionnelle de son épaisseur, donc une très fine membrane est désirable, mais malheureusement elle droit être dense pour les gaz, et une fine membrane est moins dense qu’une épaisse. En plus la résistance électrique d’une membrane est proportionnelle de son humidité, qui peut bien varier en fonctionnement et en plus la humidité est dure à contrôler et à mesurer. »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. V Tension moyen U 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 variation leakage i_n i_n /10 i_n x 10 0 100 200 i_n 300 400 500 600 700 courant mA/cm² mW/cm² 500 variation leakage i_n 400 i_n /10 300 Puissance P T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Variation de courant équivalent de débit d’hydrogène perdu par diffusion travers la membrane etc. in i_n x 10 200 100 i_n 0 0 100 200 300 400 500 600 700 courant mA/cm² »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. La comparaison des résultats obtenue avec le stack 300 W, une courbe de la littérature et uns étude paramétrique suggère : Des problèmes de performance de couche actives (catalyseur), T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Conclusion Un transfert de matière faible. Attention !!: le transfert de matière observé peut être crée pour une mal maîtrise de stack, par exemple, si les gaz sont trop humide, on va remplir les couches actives avec d’eau (on ne peut pas chasser cet eau par un fort débit de gaz) et donc créer une barrière de transfert de matière. Impérativement à vérifier ! »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Utiles pour la modélisation du système »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. PEMFC module 8 7 6 5 4 3 2 1 H Informations Informations Système de surveillance, de contrôle et détection de conditions de fonctionnement G G H2 + ... F F Système de post traitement d’hydrogène T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement H Combustible / échappement E D Conditionnement des rejets Stacks AiR / échappement Système de post traitement d’air AiR E Eau de réaction D Puissance électrique Système de conditionnement de puissance C Fluide de refroidissement C Système de gestion thermique Fluide de refroidissement B B Dessiné PROJET A Vérifié Description des Indices Date A Système pile à combustible REFERENCE Ce document est la propriété d’HELION et ne peut être reproduit sans autorisation 8 7 6 5 TNI 4 TNi A Emission Initiale 3 Nov 2003 2 »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. 1 T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Sketch of a PEMFC stack with some auxiliaries and controls »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. Simulation Tools used in Fuel Cell System Modeling T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement General Mathematical/Thermal Tools (Some of the most important tools) • MATLAB/Simulink (ODE solver and general math-tools – many add-on packages available). http://www.mathworks.com • EES, Engineering Equation Solver (Non-linear Equation Solver with advanced Thermal Property Libraries & several mathematical tools including advanced non-linear regression and optimization). http://www.fchart.com • • ACSLX (Advanced ODE/DAE solver + non-linear equations and optimization). http://www.acslx.com • • • Excel (General Spreadsheet tool with some optimization capabilities) GAMS (Generic Numerical Optimization Tool – MINLP problems). http://www.gams.com Comsol Multiphysics (general PDE solver and grid generator with many fuel cell system related examples). http://www.comsol.com LINGO (Generic Numerical Optimization Tool – MINLP problems). http://www.lindo.com Flowsheet Modeling • • • Aspen/HYSYS/Aspen One (Advanced Thermal/Chemical Process Analysis). http://www.aspentech.co • • Modelica (ODE/DAE Freeware Generic Modeling Platform Incl. FC-module). http://www.modelica.org • DNA (Open Source Energy System Simulation Tool, developed by DTU in Denmark, Including Some Fuel Cell Models and Fuel Cell Related Components). http://www.et.mek.dtu.dk/English/Business/Software/DNA.aspx gPROMS (Advanced Thermal/Chemical Process Analysis and advanced dedicated fuel cell module) Pro/II SimSci-Esscor's Process Engineering Suite (Advanced Thermal/Chemical Process Analysis). www.simsci.com Cycle Tempo (Advanced Steady State Thermal Process modeling and off-design studies – includes empirical models of different fuel cell types and related components). http://www.cycle-tempo.nl Computational Fluid Dynamics Tools Mads Pagh Nielsen, Aalborg University, 2008 • • • Fluent • GCTools (in-house tool developed at ANL – no longer available or supported) CFX »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation Star-CD »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. Dedicated Fuel Cell Modeling Tools T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement MATLAB/Simulink… »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Comsol Multiphysics Source: Comsol homepage Mads sans Pagh »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué son Nielsen, autorisation Aalborg University, 2008 »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. Source: Smeets, 2008 Mads Pagh Nielsen, Aalborg University, 2008 T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Aspen/HYSYS »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement gPROMS: Source: gPROMS homepage Mads Pagh Nielsen, Aalborg University, 2008 »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. T. Nietsch CEDER March 2009 Que pour renseignement Cycle Tempo (TU-Delft, Holland) »Ce document est la propriété de HELION et ne peut être reproduit ou communiqué sans son autorisation Source: Cycle »Exemples ne que pour enseignement qui peuvent ou pas contenir de vrai valeurs, dimensions, etc. Tempo homepage Mads Pagh Nielsen, Aalborg University, 2008
