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A generic fuel cell model and experimental validation

Njoya Motapon, Souleman (2008). A generic fuel cell model and experimental validation. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Fuel cells offer clean, quiet and efficient electrical energy. Environmental issues regarding the emissions of green house gases have propelled the use of fuel cells in applications such as automotive, mobile and power generation systems.

These fuel cells generate unregulated DC voltage and are usually connected to a power system through DC-DC converters. The design and simulation of such converters or the whole power system require an accurate model of fuel cells. Many publications on fuel cell modeling have been reported in the previous years, but most of the proposed fuel cells models are obtained empirically or through experiments on actual fuel cells. These models are only valid for particular fuel cells and can not be generalized. This does not facilitate the simulation and the design of fuel cells power systems, especially when the user does not have the fuel cells at hands.

In this project, a new approach of fuel cell modeling is proposed, an approach where the fuel cells model is obtained from data from fuel cells datasheets which are provided by stack manufacturers and publicly available. The model is a generic model and able to emulate the behavior of any fuel cell types fed with hydrogen and air.

The model is validated through comparison with real datasheet performance and with experimental data from an actual fuel cell stack. The datasheet of a 6kW-45V proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) from NedStack is considered for the study and experimental tests are performed on a 500W-48V PEMFC (EPAC-500). The simulations results obtained are close to the expected results with an error in the range of ±1 %, that for both steady and transient states and at any condition of operation, provided a controlled stack internal humidity. However, the model gives an error of 1% for every 9% increase in air pressure and an error of 3% for a 15% decrease in temperature due to the effect of humidity.

This model is integrated in SimPowerSystems (SPS) and made available to SPS users. A fuel cell vehicle demonstration (FCV demo) is presented to point out the advantages of the proposed model in the simulation of fuel cell power systems and to show how the fuel cell model inter-connects with other electrical systems. The vehicle is modeled with the same characteristics as the Honda FCX-Clarity developed by Honda. The performances of the fuel cell model and the vehicle are close to their real values in terms of fuel consumption, maximum speed and acceleration. This confirms the validity of the FCV demo.

The FCV demo is a typical application of fuel cells and can be used as a perfect starting point on the design and simulation of fuel cell power systems.

Titre traduit

Modèle générique d'une pile à combustible et validation expérimentale

Résumé traduit

Les piles a combustibles font partie des sources d'energie renouvelables offrant une energie electrique propre, silencicuse et avec un rendement eleve. Elles prennent en entree l'hydrogene et fair et les convertissent en energie electrique a travers des reactions electrochimiques. Cette conversion ne genere que de I'eau et la chaleur. Les problemes environnementaux crees par la croissance en emissions des gaz a effet de serre ont augmente I'utilisation de ces piles dans les domaines tels que: les transports, les portables et la generation de I'energie electrique.

Ces piles produisent une tension electrique qui varie de façon non lineaire avec le courant et elles sont le plus souvent connectees avec d'autres systemes electriques a travers des j convertisseurs CC-CC. Dans la conception et la simulation des ces convertisseurs ou meme I de tout le systeme electrique, un modele precis de ces piles est necessaire. Plusieurs articles i concernant la modelisation des piles a combustibles ont ete publics dans les annees anterieures, mais la majorite des modeles presentes sont obtenus de fa9on empirique ou a j travers des experiences sur des vraies piles. Ces modeles sont seulement valides pour une ,' pile en particulier et ne peuvent etre generalises. Cela rend difficile la conception et la simulation des systemes electriques bases sur les piles a combustible, surtout lorsque l'utilisateur ne dispose pas d'une vraie pile.

Dans ce projet, une nouvelle approche de modelisation est proposee, une approche ou le modele de pile est obtenu a I'aide des donnees des fiches techniques des manufacturiers et qui sont disponibles aux usagers. Le model est generique et capable de representer ie comportement de n'importe quel type de pile alimentee par I'hydrogene et fair.

Le modele est valide par des comparaisons avec les donnees des fiches techniques et avec les resultats des tests sur une vraie pile. Une fiche technique d'une pile de 6kW-45V a membrane echangeuse de protons (PEMFC) de NedStack est consideree pour I'etude et les experiences sont performees sur une pile de 500W-48V (EPAC-500). Les resultats des simulation sont tres proches des resultats attendus avec juste une erreur (entre la tension donnee par le modele et la tension reelle) qui varie entre ± 1 % , ceci tant en regime permanent qu'en regime transitoire et a n'importe quelle condition d'operation. Ce resuhat est valide si I'humidite a I'interieur de la pile est bien controlee. Cependant le modele produit une erreur de 1% lorsque la pression d'air augmente de 9% et une erreur d'environs 3% lorsque la temperature decroit de 15% sous I'effet de I'humidite.

Le modele propose est integre dans SimPowerSystems (SPS) et rendu disponible pour les usagers du SPS. Un modele de demonstration d'un vehicule electrique base sur une pile a combustible est presente pour faire ressortir les avantages du modele propose dans la simulation des systemes electriques bases sur les piles a combustibles et pour aussi montrer comment la pile interagit avec d'autres elements electriques. Ce vehicule est modelise avec les memes caracteristiques que le nouveau vehicule developpe par Honda (la FCX-Clarity-2008). Les performances du modele de pile et du vehicule sont similaires a la realite en termes de consommation en hydrogene, vitesse maximale et acceleration. Ce qui confirme la validite du modele du vehicule.

Le modele du vehicule est une application claire des piles a combustible et peut etre utilise comme un point de depart dans la conception et la simulation des systemes electriques bases sur les piles a combustibles.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering" Bibliogr : f. [79]-81.
Mots-clés libres: Piles à combustible. Industrie manufacturière. Véhicules à hydrogène. 500W-48V, EPAC-500, Fiche, Modèle, Modélisation, Nedstack, PEMFC, Technique, Validation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dessaint, Louis-A.
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 21 mars 2011 15:30
Dernière modification: 20 déc. 2016 23:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/620

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