Gestion de l’air dans les systèmes pile à combustible

Pile à combustible, généralité et principe de fonctionnement 

Présentation de la pile à combustible

Les piles à combustible dont le principe de fonctionnement, mis en œuvre par Sir William Grove, date de 1839, sont restées pendant de très nombreuses années des dispositifs de laboratoire. Au tournant des années 1960, elles sont devenues des générateurs d’énergie pour les applications spatiales. Leur intérêt pour des applications plus domestiques et plus courantes a ensuite été renforcé par la prise de conscience de l’effet de serre. Toutes les piles à combustible fonctionnent au stade réactionnel avec de l’hydrogène comme combustible et de l’oxygène comme comburant pour former de l’eau mais pour fournir également de l’énergie électrique et de l’énergie calorifique. Elles constituent donc a priori une source parfaite pour lutter contre l’effet de serre. Ce schéma idyllique est un peu théorique (pour ne pas dire simpliste) car le dihydrogène n’est pas présent comme molécule dans la nature et sa production par électrolyse de l’eau ou par reformage d’hydrocarbures ainsi que son conditionnement et son transport sont consommateurs d’énergie et dégagent des gaz à effet de serre. L’approche énergétique ne peut donc être que globale. Néanmoins, le rendement énergétique actuel des piles à combustible laisse présager un gain global et un développement dans le cadre de la filière hydrogène. C’est assurément une voie d’avenir sans que l’on puisse prévoir pour le moment une date de production en série, l’horizon le plus éloigné concernant les applications au transport individuel. D’autres domaines applicatifs risquent de se développer avant. Il s’agit des sources autonomes d’énergie électrique, voire de groupes de secours, ou d’applications stationnaires combinant l’utilisation de l’énergie calorifique et celle de l’énergie électrique (cogénération). Le pilotage est alors basé sur l’énergie calorifique, l’énergie électrique étant utilisée sur place ou renvoyée sur le réseau selon les besoins de consommation à couvrir.

Principe de fonctionnement

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique où la production de l’électricité se fait grâce à l’oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur (par exemple le dihydrogène) couplée à la réduction sur l’autre électrode d’un oxydant, tel que le dioxygène de l’air. La réaction d’oxydation de l’hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Si d’autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air.

Une cellule élémentaire est constituée de trois éléments :
– deux électrodes,
– un électrolyte (membrane échangeuse de protons),
– couche de diffusion.

Les deux électrodes sont séparées par l’électrolyte. L’anode est alimentée en combustible (le plus souvent de l’hydrogène, parfois du méthanol pour les piles à alimentation directe en méthanol DMFC). La cathode est alimentée en oxygène (ou plus simplement en air, enrichi ou non en oxygène).

Les différents types de pile à combustible

On distingue plusieurs types de piles à combustible, se différenciant selon la nature de leur électrolyte et de là par le niveau de leur température de fonctionnement. Les architectures et les domaines d’application dans lesquels chaque type peut être utilisé sont diverses et variés. Par ailleurs, chaque pile a des exigences différentes en terme de combustibles .
– AFC (Alkaline Fuel Cell) : a une température de fonctionnement comprise entre 60-80° C, utilise une solution d’hydroxyde de potassium KOH comme électrolyte, nécessite du dihydrogène et de l’oxygène pur comme oxydant. Ce genre de pile a été et encore utilisé dans le domaine spatial.
– PEMFC (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell) : elle trouve son domaine d’application généralement dans l’automobile, portables, cogénération, maritime. Sa température de fonctionnement se situe entre 60-100°C, elle fonctionne bien avec du dihydrogène pur ou réformé, son oxydant est de l’air ; comme son nom l’indique elle utilise une membrane polymère conductrice de protons comme électrolyte.
– DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) : ces piles sont de même nature que les piles PEMFC mais sont délicates à utiliser en raison d’une part de la toxicité du méthanol et d’autre part de leur faible densité surfacique de puissance, elle trouve son domaine d’application dans les applications portables, avec une température de fonctionnement entre 60-100° C, elle utilise comme combustible du méthanol et comme comburant de l’air.
– PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) : sa température de fonctionnement comprise est entre 180-200° C, utilise de Acide phosphorique comme électrolyte ; elle nécessite du dihydrogène pur (ou reformé) et de l’air. Ses applications sont principalement pour les domaines stationnaires et souvent utilisées cogénération.
– MCFC (Molten carbonate Fuel Cell) : elle trouve son domaine d’application des le stationnaire et dans la cogénération, sa température de fonctionnement est comprise entre 600-660° C ; elle fonctionne bien avec du dihydrogène pur ou reformé, son oxydant est de l’air ; l’électrolyte utilisé pour cette pile est du carbonates fondus dans une matrice LiAlO2.
– SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) : cette pile utilise comme électrolyte le ZrO2 et Y2O3, sa température de fonctionnement est comprise entre 700-1 000° C. Elle fonctionne aussi bien avec du dihydrogène pur ou reformé, utilisant de l’air comme oxydant. On trouve son domaine d’application dans la cogénération, production centralisée d’électricité, automobile, maritime.

Auxiliaires d’une pile à combustible

Les auxiliaires d’un pile à combustible consomment une partie non négligeable de l’énergie produite par celle-ci, entraînant ainsi la dégradation du rendement du système. Leur conception est donc souvent un élément clé dans le développement d’un système pile à combustible. En effet, ils constituent des ensembles multi-physiques très complexes où les paramètres de fonctionnement interagissent fortement entre eux. La complexité d’un système pile à combustible est liée essentiellement aux contraintes de température, de pression et d’humidité des gaz qu’il faut imposer et maintenir dans des plages d’évolution très strictes et restrictives.

Circuit d’alimentation en hydrogène :
Suivant l’application visée, le mode d’alimentation retenu peut différer. L’hydrogène peut être stocké tout simplement dans un réservoir, ou un sous système est mis en place pour sa production sur place par reformage du gaz naturel. Le gaz naturel est constitué d’une grande partie de méthane et il contient aussi du CO2 et du soufre. Ce dernier doit être d’abord éliminé par un système de désulfuration. L’opération de reformage se fait en deux étapes principales : la première créant, de l’hydrogène et du monoxyde de carbone CO comme le montre l’équation (1.1) :

CH4 + H2O −→ 3H2 + CO (1.1)

la deuxième produisant de l’hydrogène et du CO2, selon l’équation (1.2). La deuxième réaction a pour but de supprimer le monoxyde de carbone qui se comporte comme un poison pour les catalyseurs [60], [12], [22] :

CO + H2O −→ H2 + CO2 (1.2)

La pile à combustible utilise dans certains cas, une pompe de récirculation  d’hydrogène (l’hydrogène non consommé sortant de la pile est réintroduit en entrée) suivant le mode de fonctionnement de la pile.

Circuit d’alimentation en oxygène :
L’oxygène est l’un des vecteurs indispensable au fonctionnement d’une pile à combustible. Bien qu’il enveloppe notre environnement, il reste insuffisant dans l’air qui le contient. Afin d’alimenter la pile en oxygène, différentes méthodes sont utilisées : l’oxygène pur ou air comprimé par un compresseur ou soufflante ; dans certains cas, l’énergie disponible dans les gaz de sortie (air appauvri en oxygène) de la pile peut être récupérée par une turbine. Pour les petites puissances, une soufflante peut suffire

Système de refroidissement :
Ce système permet la régulation de la température due à la réaction exothermique qui se déroule dans la pile. Cette régulation de température diffère suivant les types de pile à combustible ; certaines pile à basse température utilisent des systèmes de ventilation conventionnels, tandis que dans le cas des piles à température élevée, la température est réguler à partir d’un circuit de circulation en eau dans la pile.

Système d’humidification :
Le maintien de la charge en eau dans la membrane est indispensable à la durée de vie de la pile. L’eau produite par la réaction peut suffire dans le cas d’applications de très faibles puissances, inférieures à la centaine de watts (auto humidification). Néanmoins, au-delà de cette gamme de puissance, l’humidification de l’air en amont de la pile est encore incontournable pour aboutir à des durées de vie importantes. L’humidification peut être réalisée par divers procédés.

Convertisseurs statiques et leurs contrôles :
Les auxiliaires de la pile disposent de nombreux convertisseurs statiques. En effet ce grand nombre de convertisseurs s’explique par le fait que une partie de l’énergie produite par la pile étant destinée à alimenter ses auxiliaires, les niveaux de tension et courant à ces bornes doivent être adaptés à chaque actionneur (moteur du compresseur, ventilateur de refroidissement, pompe de recirculation etc.). Ainsi, on a des convertisseurs DC/DC, élévateur de tension (faible tension, fort courant) et unidirectionnels en courants ; des convertisseurs DC/AC qui permettent l’alimentation des actionneurs.

Table des matières

Introduction générale
1 gestion de l’air dans les systèmes pile à combustible
1.1 Pile à combustible, généralité et principe de fonctionnement
1.1.1 Présentation de la pile à combustible
1.1.2 Principe de fonctionnement
1.1.3 Les différents types de pile à combustible
1.1.4 Auxiliaires d’une pile à combustible
1.2 Objectifs de la gestion de l’air dans une pile à combustible
1.2.1 Systèmes d’alimentation en air
1.2.2 Description des éléments constitutifs et fonctions principales associées
1.2.3 Besoins et contraintes de la pile à combustible
1.3 Généralité sur les compresseurs
1.3.1 Histoire des compresseurs
1.3.2 Les turbocompresseurs
1.3.3 Les compresseurs volumétriques
1.3.4 Synthèse sur le choix du compresseur
1.3.5 Analyses du choix de la motorisation
1.4 Conclusion
2 modélisation analytique du compresseur roots tri-lobes
2.1 Introduction
2.2 Modèle géométrique
2.2.1 Objectifs de la modélisation géométrique
2.2.2 Présentation du compresseur roots tri-lobes
2.2.3 Description des paramètres géométriques du compresseur
2.2.4 Expressions analytiques des volumes des chambres
2.2.5 Présentation et description des volumes de contrôle
2.2.6 Description du processus de compression
2.2.7 Expressions analytiques des volumes de contrôle
2.2.8 Présentation et description des sections fuites
2.2.9 Expressions analytiques des sections de fuites
2.3 Modèle thermodynamique
2.3.1 Objectifs du modèle thermodynamique
2.3.2 Modèle des volumes de contrôle
2.3.3 Modèle des fuites
2.4 Modèle représentatif sous forme de composants
2.4.1 Modèle du composant de volume de contrôle
2.4.2 Modèle du composant de fuite
2.4.3 Modèle du compresseur tri-lobes sous forme de composants
2.4.4 Détermination des puissances et couple du compresseur
2.4.5 Expressions des puissances et du couple
2.5 Conclusion
3 simulation et validation expérimentale du modèle du compresseur tri-lobes
3.1 Introduction
3.2 Approche du langage d’implémentation, VHDL-AMS
3.3 Implémentation du modèle en VHDL-AMS
3.3.1 Présentation du langage VHDL-AMS
3.3.2 Standard VHDL-AMS
3.3.3 Organisation d’un modèle VHDL-AMS
3.3.4 Description d’un exemple de code de composant
3.4 Dispositif de validation
3.4.1 Objectifs et présentation du banc d’essais
3.4.2 Description du banc d’essais
3.4.3 Analyse des pertes du compresseur
3.4.4 Détermination du rendement volumétrique et rendement isentropique
3.5 Comparaison entre la simulation et l’expérimentation
3.5.1 Relation débit-pression
3.5.2 Rendements volumétrique et isentropique
3.5.3 Comparaison des puissances mécaniques
3.5.4 Comparaison des couples
3.6 Conclusion
4 modèle et contrôle du système d’alimentation en air
4.1 Introduction
4.2 Approches des systèmes d’alimentation en air dans la littérature
4.3 Modèle du système d’alimentation en air
4.3.1 Présentation des éléments constitutifs du système
4.3.2 Modèle du compresseur
4.3.3 Modèle de la vanne de contrôle
4.3.4 Modèle du collecteur
4.3.5 Validation du modèle de la vanne et du collecteur
4.4 Contrôle du système modélisé
4.4.1 Objectifs du contrôle du système
4.4.2 Contrôleur Proportionnel Intégrale
4.4.3 Contrôle à partir de la logique floue
4.5 Implémentation sur le banc d’essais
4.5.1 Processus d’implémentation
4.5.2 Résultats et commentaires
4.6 Conclusion
5 perspectives et travaux en cours
5.1 Introduction
5.2 Vers un humidificateur intégré
5.2.1 Rappel du concept de l’intégration de l’alimentation en air et de l’humidification
5.2.2 Présentation du banc de tests
5.3 Vers un Compresseur centrifuge
5.4 Conclusion et perspectives
Conclusion générale

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