Description du banc d’essai 1 Présentation du banc d’essa

La validation du modèle que nous développons repose sur la comparaison et la relative convergence de nos simulations avec les résultats des essais réalisés par Dumercy [DUM04]. La présentation du banc d’essai se limitera essentiellement aux éléments d’alimentation du circuit en gaz et en eau ainsi qu’aux auxiliaires. Le banc d’essai permet de tester des piles de

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INRETS : Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité

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types PEM à refroidissement par eau et des puissances électriques inférieures à 1 kW. Des améliorations en automatisation et en puissance apportées au banc permettent la maîtrise de l’hygrométrie à l’anode et à la cathode.

Figure 2.1 : Banc d’essai équipé d’un système d’acquisition de type « Labview » et de ses auxiliaires

2.2.2. Fonctionnement du banc d’essai

Le contrôle du fonctionnement de la pile à combustible nécessite la prise en compte et la maîtrise d’un grand nombre de paramètres physiques tels que la température, les pressions, l’hygrométrie, le courant, la tension et les débits. Pour cela il importe de définir les principaux systèmes de fonctionnement des vannes et de régulation des paramètres du banc d’essai avant de présenter les principaux systèmes d’alimentation cathode et anode.

2.2.2.1. Détail des éléments du schéma global

Les différents auxiliaires sommairement présentés dans ce paragraphe sont représentés sur les figures 2.2, 2.3, et 2.4. Le système de pilotage du banc est réalisé avec le logiciel Labview. Son rôle est l’acquisition des différentes grandeurs mesurées, le contrôle de sécurité, la gestion des automatismes et le pilotage des actionneurs à partir des consignes de l’utilisateur, ou des grandeurs de commande lues dans un fichier.

Des régulateurs de débits (RD) permettent de maîtriser le débit des gaz dans la pile à partir d’une consigne générée par le programme de gestion du processus. Ils sont équipés d’une électrovanne pilotée par un régulateur PID qui leur permet de se stabiliser autour de la valeur de consigne et d’un indicateur de débit (ID) permettant un retour de la valeur mesurée vers le système d’acquisition. Les déverseurs (D) sont des vannes de régulation pneumatique pilotées. Elles permettent d’assurer la régulation de la pression des gaz en entrée de pile, par application d’une contre-pression sur le circuit aval de la pile. Sur le banc, les déverseurs sont

Humidification du canal cathode par bouilleur

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associés à un système de régulation PID propre afin de soulager le process Labview de la gestion de cette régulation.

En sortie de pile, les condenseurs permettent de récupérer l’eau contenue dans les gaz. Ils sont constitués comme des échangeurs et refroidissent le gaz avec un circuit secondaire parcouru par de l’eau de ville. Ils sont également indispensables pour assécher le gaz avant son passage dans les indicateurs de débits.

La maitrise de l’hygrométrie et de la température des gaz entrant dans la pile est donc considérée comme un point essentiel du fonctionnement de ce type de pile. Il existe deux circuits distincts. L’un actionné par l’électrovanne EV1 est le circuit d’alimentation en air sec de la pile. L’autre actionné par EV2 et EV4 est le circuit d’alimentation en air humide de la pile. Les deux circuits ne peuvent pas être actionnés simultanément. Un échangeur air/eau permet ensuite d’abaisser en cas de besoin la température de l’air (condensation) à une nouvelle température de rosée T4. Un séparateur, équipé d’une mesure de niveau d’eau, permet de récupérer les condensats résultant du refroidissement et de les évacuer automatiquement par l’électrovanne EV3. L’air traverse un réchauffeur afin d’être éventuellement porté à une température T6. Cette architecture permet de fixer dans une plage assez large, la température et l’hygrométrie de l’air arrivant sur la pile.

Le bouilleur a pour rôle d’humidifier à 100% l’air qui le traverse. Il est également utilisé comme réserve d’eau chaude pour le système de régulation de température de la pile. Il est équipé de deux thermoplongeurs de 500W qui permettent de fixer sa température de fonctionnement. L’air arrive en partie basse et ressort en partie haute, saturé en eau. La mise en température de cet élément est directement conditionnée par la température de consigne de la pile. En effet les deux boucles de régulation sont directement imbriquées. C’est le choix de la consigne de température pile qui va déterminer la température de consigne du bouilleur. Le réchauffeur (R) est constitué d’un serpentin entourant une résistance de 500W et est associé à un gradateur piloté de manière à contrôler la puissance de chauffe ; il est utilisé pour maintenir l’air entrant dans la pile à la température de consigne désirée. Présentant une forte inertie dans la transmission des calories au fluide, la mesure de température de l’air en entrée de pile par le réchauffeur ne suffit pas pour assurer correctement sa régulation. Pour y remédier, une technique basée sur la différence de température de départ et la température de consigne, le débit d’air circulant dans le réchauffeur et son inertie est employée. Une première approche est réalisée par application d’une quantité d’énergie au réchauffeur aux faibles débits d’air et pour des variations de températures limitées ou très faibles. Ensuite une puissance électrique est appliquée au réchauffeur jusqu’à dépassement de la consigne et ce, en fonction du débit d’air. Son maintien est réalisé par application de créneaux de puissance à chaque passage en dessous de la consigne, et on obtient ainsi la température désirée. Si la variation de température et les débits d’air sont très élevés, c’est alors un régulateur PID qui gère la régulation.

Le système de régulation de température est constitué d’un circuit primaire fermé composé du circuit d’eau déminéralisée de la pile, d’une pompe P1, d’une mesure de débit et du circuit primaire de l’échangeur eau/eau ; le circuit secondaire est composé d’un circuit de chauffage représenté par le bouilleur, d’une pompe P2, des électrovannes EV2 et EV1 et d’un circuit de refroidissement en eau, alimenté par l’intermédiaire du jeu d’électrovannes EV3 et EV4. En ordre de marche le circuit primaire est mis en mouvement par la pompe P1 qui génère un flux d’eau déminéralisée constant dans la pile. Le circuit secondaire est activé pour réguler la

température de consigne de la pile. Comme tout dispositif, elles nécessitent d’avoir atteint une certaine température de fonctionnement pour atteindre leur régime nominal et l’énergie calorifique dégagée lors du fonctionnement doit être évacuée pour maintenir une température moyenne raisonnable.

2.2.2.2. Systèmes d’alimentation du banc

Figure 2.2 : Circuit d’alimentation du stack en gaz

A l’anode, l’hydrogène est régulé en débit. Un déverseur permet la régulation de la pression. Enfin, le gaz en sortie passe dans un condenseur refroidi à l’eau glacée. Le débit et la pression sont mesurés simultanément. On suppose que l’hydrogène est sec avant sa mesure par le débitmètre de sortie.

A la cathode, le circuit de gestion de l’air est similaire à celui de l’hydrogène. A cela s’ajoute un système d’humidification et de contrôle optique de l’hygrométrie intercalé entre le circuit de distribution des gaz et l’élément de mesure de pression.

Le circuit d’eau assure le maintien en température du stack. Il est composé de deux circuits indépendants appelés primaire et secondaire. La circulation d’eau dans le stack s’effectue dans le circuit primaire à l’aide d’une pompe. Un capteur de débit et un échangeur reliés au circuit secondaire assurent avec précision la régulation du débit ; la variation de la température du circuit primaire est assurée par le circuit secondaire. L’eau du circuit primaire est déminéralisée car la présence d’ions dans les canaux de refroidissement crée un dépôt minéral sur les parois. Le refroidissement s’effectue par la circulation de l’eau de ville dans l’échangeur et le réchauffement à l’aide de l’eau contenue dans le bouilleur. Le but de ce système est de pouvoir contrôler de manière précise la température et l’hygrométrie de l’air entrant dans la pile. Ce contrôle est réalisé par l’envoi de deux consignes : une consigne de température de rosée et une consigne de température en entrée de la pile.

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Figure 2.3 : Système de régulation en température et en humidité de l’air

Figure 2.4 : Circuit d’eau alimentant le stack

On mesure les températures :

- en entrée et en sortie des circuits d’hydrogène, d’air et d’eau, - de l’air avant le réchauffeur,

- du réchauffeur,

- du bouilleur et à la surface du stack en un point.

Les capteurs de pression installés en entrée et en sortie des circuits sont de type piézorésistif. Leur précision est de 0,05% de la pleine échelle (de 0 à 3 bars absolus).

2.3. Modèle physique