Objectifs

Les objectifs généraux du projet OPUS-H2: « Optimisation des Performances et de la dUrabilité des Systèmes Hydrogène à partir d’un jumeau numérique avancé », sont de contribuer de manière significative au développement de modèles numériques des piles à combustible PEM pour améliorer leurs performances et leur durabilité, ainsi que de développer des compétences expérimentales auprès d’un partenaire européen déjà bien ancré dans le domaine d’étude pour les ramener sur le territoire réunionnais. Le partage des connaissances et des compétences croisées à l’échelle de ce partenariat permettront d’encourager l’innovation et la recherche.

Ce projet se base sur les travaux de thèse de Raphaël Gass qui ont abouti au développement d’un modèle physique 1D dynamique d’une cellule PEM avec auxiliaires, nommé AlphaPEM, constituant une brique de jumeau numérique de pile à combustible. À partir de cette brique, une stratégie de contrôle de l’humidité entrante permettant théoriquement une augmentation de 60 % de la puissance de la cellule ou de 15 % de son efficacité a été formulée. 

Le projet OPUS-H2 poursuit ces travaux à travers cinq objectifs spécifiques :

1. Développement du jumeau numérique et de la stratégie de contrôle de l’humidité entrante en ajoutant de nouvelles fonctionnalités à AlphaPEM.

   • Le premier objectif est d’augmenter la précision du modèle AlphaPEM en lui permettant de simuler plus de phénomènes physiques. Six tâches sont mises en œuvre pour atteindre cet objectif :

     • approfondissement du modèle simulant la courbe EIS,
     • ajout d’un modèle pour décrire les phénomènes thermiques à AlphaPEM,

     • ajout de la couche microporeuse (MPL) au sein de la modélisation d’une cellule PEM,

     • usage de meilleurs outils de contrôle des auxiliaires,

     • augmentation de la dimension spatiale du modèle caractérisant chaque cellule à la 1D+1D,

     • caractérisation précise de plusieurs cellules formant un stack.

   • Le deuxième objectif consiste à perfectionner la stratégie de contrôle de l’humidité entrante développée pendant les travaux précédents.Trois tâches sont mises en œuvre pour atteindre cet objectif :

     • usage de meilleurs outils de contrôle des conditions opératoires,
     • approfondissement de la théorie portant sur la quantité d’eau liquide limite s_lim, créée lors des précédents travaux, et qui établit un lien entre la chute de tension à hautes densités de courant, la quantité d’eau liquide dans la pile, et ses conditions opératoires,
     • approfondissement de la stratégie de contrôle de l’humidité entrante à partir de l’ensemble des résultats de cette action.
2. Conduite d’expériences sur des bancs de tests pour consolider la validation d’AlphaPEM et vérifier les gains en performances obtenus par simulations.

   • L’objectif est d’effectuer des essais expérimentaux sur le matériel du partenaire européen afin de valider les améliorations apportées à AlphaPEM ainsi que la stratégie de contrôle de l’humidité entrante proposée. Trois tâches sont mises en œuvre pour atteindre cet objectif :

     • production de courbes de polarisation et EIS à différentes conditions opératoires fixées sur des stacks proches du mono-cellule,
     • production de courbes de polarisation et EIS à différentes conditions opératoires contrôlées par le modèle sur des stacks proches du mono-cellule,
     • répétition des essais sur des stacks d’une centaine de cellules.
3. Intégration au jumeau numérique de modèles permettant d’estimer l’état de dégradation des cellules et la durée de vie restante du système. 

   • L’objectif est de permettre à AlphaPEM de considérer l’état de dégradation actuel d’une pile expérimentale afin d’intégrer cet impact dans les résultats proposés. Deux tâches sont mises en œuvre pour atteindre l’objectif :

     • intégration d’un modèle permettant d’estimer la dégradation de la surface électrochimique (ECSA) de la couche catalytique à AlphaPEM,
     • intégration d’un modèle calculant la durée de vie restante du système (RUL).

      

4. Création de stratégies de contrôle basées sur le modèle pour le maintien de performances optimales et la réduction des dégradations le long de la vie de la pile.

   • L’objectif est de mettre en application la théorie produite durant l’action 3 afin de créer une stratégie de contrôle des conditions opératoires permettant de conserver des performances maximales et de réduire les dégradations futures sur une piles usagée. Deux tâches sont mises en œuvre pour atteindre cet objectif :

     • production d’une stratégie de contrôle sur les conditions opératoires, basée sur AlphaPEM, permettant de maintenir les performances maximales d’une pile usagée à tous instants de sa vie,
     • production d’une stratégie de contrôle sur les conditions opératoires, basée sur AlphaPEM, permettant de minimiser la dégradation future d’une pile usagée à tous instants de sa vie.
5. Conduite d’expériences de dégradations accélérées sur des bancs d’essais (mono-cellules et stacks) pour valider les ajouts faits au jumeau numérique ainsi que les stratégies de contrôle formulées.

   • L’objectif est d’effectuer des expériences sur les bancs d’essais du partenaire européen afin de valider les propositions faites dans les parties 4 et 5. Trois tâches sont mises en œuvre pour atteindre l’objectif :

     • réalisation d’expériences de dégradation accélérée sans modifications des conditions opératoires sur des stacks proches du mono-cellule,
     • réalisation d’expériences de dégradation accélérée avec stratégie de contrôle des conditions opératoires sur des stacks proches du mono-cellule,
     • répétition des essais sur des stacks d’une centaine de cellules.