Caractérisation et modélisation en régimes statique et dynamique d'un stack pile à combustible à oxyde solide de température intermédiaire (IT-SOFC)

Résumé

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre du projet SOFAERO (Piles à combustible hautes températures SOFC pour applications aéronautiques), porté par le laboratoire LAPLACE en partenariat avec Safran Power Units. Ce projet porte sur l’étude des composants de technologie SO et l’évaluation de leurs potentialités dans un environnement aéronautique. Au cours de ces travaux de thèse, nous nous sommes concentrés sur le fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide de température intermédiaire 650°C (IT-SOFC, Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell). La première partie du manuscrit retranscrit la culture que nous avons acquise sur les composants SO allant des matériaux composant une cellule jusqu’à l’intégration de cette technologie dans des systèmes. La seconde partie expose les moyens d’essais utilisés et les premières campagnes d’essais réalisées. Dans la troisième partie, nous proposons un modèle quasi-statique de la cellule moyenne équivalente d’un stack IT-SOFC, modèle adapté des travaux menés au sein du laboratoire LAPLACE sur les technologies à membranes échangeuses de protons (PEM, Proton Exchange Membrane) basse température et plus récemment haute température. Une des hypothèses fortes pour cette modélisation est que nous avons considéré une température interne constante et homogène au sein du stack lors du tracé des courbes de polarisation. Dans une quatrième partie, nous discutons de cette hypothèse en proposant une modélisation tenant compte cette fois-ci de la variation de température lors du tracé des courbes de polarisation. Dans ce contexte, nous exposons une méthode originale que nous avons développée afin d’estimer la température interne du stack sans avoir recours à des mesures de température internes (inexistantes sur le composant testé). Cette quatrième partie se poursuit en exposant nos premiers travaux sur la modélisation dynamique d’un stack IT-SOFC, via la modélisation des spectres d’impédance mesurés conjointement avec les courbes de polarisation.

mots clés

Titre traduit

Characterization and modeling in static and dynamic modes of an intermediate temperature solid oxide fuel cell stack (IT-SOFC)
Résumé

The work of this thesis is part of the SOFAERO project (High temperature fuel cells SOFC for aeronautical applications), led by the LAPLACE laboratory in partnership with Safran Power Units. This project focuses on the study of SO technology components and the evaluation of their potential in an aeronautical environment. During this thesis work, we focused on the operation of Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (IT-SOFC - 650°C). The first part of the manuscript transcribes the culture we have acquired on SO components starting from the materials making up a cell to the integration of this technology into systems. The second part describes the test resources used and the first test campaigns carried out. In the third part, we propose a quasi-static model of the equivalent mean cell of an IT-SOFC stack, model adapted from the work carried out within the LAPLACE laboratory on Proton Exchange Membrane technologies (PEM) low temperature (LT) and more recently high temperature (HT). One of the strong assumptions for this modelling is that we considered a constant and homogeneous internal temperature within the stack when plotting the polarization curves. In a fourth part, we discuss this hypothesis by proposing a model taking into account, this time, the temperature variation during the plotting of the polarization curves. In this context, we present an original method that we have developed to estimate the internal temperature of the stack without using internal temperature measurements (non-existent within the component tested). This fourth part continues by presenting our first work on the dynamic modelling of an IT-SOFC stack, via the modelling of the impedance spectra measured jointly with the polarization curves.