Présentation

Cette séance complète le modèle de pile à combustible à oxyde solide à haute température, dite SOFC, présenté dans la séance S61.

Le modèle très simple à deux paramètres y est progressivement affiné, d’abord par la prise en compte de l’équation de polarisation de la pile, puis en introduisant un refroidissement par de l’eau.

Enfin, un exercice montre comment coupler la pile à une turbine à gaz pour former une installation de cogénération à haut rendement.

Dans la séance S63, nous verrons comment modifier les modèles établis précédemment pour remplacer l’hydrogène par un combustible comme le méthane.

• Association Française pour l’Hydrogène et les Piles à Combustible (AFHYPAC)

Deuxième modèle

Nous allons commencer par affiner le modèle à deux paramètres qui a fait l’objet de la séance S61 en prenant en compte de l’équation de polarisation de la pile.

Cet exercice est expliqué en cinq étapes, toutes les autres explications étant présentées dans la séance S61 :

• les deux premières étapes rappellent comment est modélisé le comportement électrochimique de la pile
• la suivante montre le résultat obtenu sur l’écran du composant pile
• les deux dernières présentent les modifications induites dans l’implémentation informatique de la classe externe

L’ensemble des fichiers de travail correspondant à ce modèle peut être téléchargé à partir du lien ci-dessous.

• Lien vers le second modèle

Modèle électrique

• Calcul de V et P connaissant I et A

  

• J=I/A
• E, Jd, b, Δ
• paramètres

Nouveau modèle

• τ supposé proportionnel à la densité de courant J
• τ = 1,2 J
• nouveaux paramètres du modèle :
• nombre de cellules N_cell, intensité de courant I, surface active d’une cellule A
• P_elec = V_cell I N_cell

Écran du composant pile SOFC

Modifications de la classe

Modifications de la classe

Troisième modèle

Nous allons maintenant compléter le modèle en prenant en compte un refroidissement de la pile.

Le refroidissement de la pile est modélisé par un thermocoupleur connecté au diviseur de sortie.

On se reportera au tome 3 du manuel de référence pour une présentation détaillée des thermocoupleurs.

Cet exercice est expliqué en quatre étapes, toutes les autres explications étant présentées dans la séance S61 :

• la première étape montre le nouveau schéma Thermoptim du composant avec le thermocoupleur
• la seconde montre les modifications de l’écran du composant pile
• la troisième présente l’écran du thermocoupleur
• la dernière explique comment modifier l’implémentation informatique de la classe externe pour introduire le thermocoupleur

Une note de présentation de ce modèle et l’ensemble des fichiers de travail correspondant à cet exemple peuvent être téléchargés à partir des liens ci-dessous.

L’ensemble des fichiers de travail correspondant à ce modèle peut être téléchargé à partir du lien ci-dessous.

• Lien vers le troisième modèle

Pile refroidie

Écran du composant pile SOFC

Écran du thermocoupleur

Étude de la classe externe

• 1) déclaration dans le constructeur

  

• 2) calculs effectués grâce à la méthode updateThermoCoupler()

  

Couplage de la pile à une turbine à gaz

Dans cet exercice nous allons étudier comment la pile que nous venons de modéliser peut être couplée à une turbine à gaz pour former une installation de cogénération à haut rendement.

Nous supposons ici que vous connaissez déjà le fonctionnement des turbines à gaz et que vous savez les modéliser dans Thermoptim. Si ce n’est pas le cas, reportez-vous aux séances S20 et suivantes.

Cet exercice est expliqué très succinctement en deux étapes :

• la première étape montre le schéma Thermoptim de l’installation complète, et explique le rôle des différents composants
• la seconde montre les résultats de simulation obtenus pour le paramétrage choisi

À partir de cet exemple, vous pouvez mener de nombreuses activités, comme par exemple étudier l’influence des paramètres d’entrée sur les performances globales, ou bien construire le schéma d’une installation à cycle combiné valorisant toute la puissance thermique disponible

L’ensemble des fichiers de travail correspondant à cet exemple peut être téléchargé à partir du lien ci-dessous.

• Fichiers de l’exercice (zip, 25 Ko)

Schéma de l’installation

Synoptique de l’installation

Récapitulatif

Au cours de cette séance, nous avons vu comment pouvait être affiné le modèle de pile à combustible à oxyde solide à haute température présenté dans la séance S61.

Le modèle que nous avons développé permet la prise en compte de l’équation de polarisation de la pile et l’introduction d’un refroidissement de la pile. Un exercice a montré comment coupler la pile à une turbine à gaz pour former une installation de cogénération à haut rendement.

Dans la séance S63, nous verrons comment ce modèle peut être modifié pour remplacer l’hydrogène par un combustible comme le méthane.

Nous profiterons de ce nouveau développement pour rendre accessibles certains des paramètres introduits au cours de cette séance, comme ceux du modèle électrochimique, afin que notre modèle puisse être utilisé de manière aussi large que possible.