Hybridation du groupe électrogène à pile à combustible pour l’alimentation d’un véhicule électrique

La pile à combustible

     Si l’hypothèse du choix de l’hydrogène comme nouveau vecteur d’énergie est retenue, la pile à combustible s’imposera comme le convertisseur le plus performant de l’hydrogène en énergie utilisable (électricité et chaleur).
Historique L’hydrogène a été identifié par Cavendish en 1766. Meunier et Lavoisier ont mis au point sa préparation en 1784. Lorsqu’en 1802 Sir Henry David énonce le principe de l’électrolyse inverse, il met en évidence la possibilité de produire de l’électricité à partir de la réaction chimique entre l’oxygène et l’hydrogène. Partant de ce procédé Sir W. Grove expérimente en 1839 la première pile à combustible hydrogène/oxygène en milieu acide sulfurique dilué en contact avec des électrodes de platine. En 1895, une pile à combustible charbon – air d’une puissance de 1.5 kW fut construite par W. W. Jacques [J. de Phys. IV]. En 1930, F. T. Bacon travailla sur une pile hydrogène/oxygène en milieu KOH aqueux. Les piles à combustible ont ensuite fait l’objet de nombreux travaux dans les années 60 et 70, qui ont abouti aux applications spatiales telles que l’alimentation en énergie électrique des capsules Gemini (pile PEM – à Membrane Echangeuse de Protons), Apollo (pile alcaline) et de la navette spatiale. Au début des années 70, avec la mise au point de membranes polymères solides échangeuses de protons (Nafion), par Dupont de Nemours, la technologie des piles PEM connut un développement important. Un contrat avec le département canadien de la défense pour la propulsion d’un sous-marin de poche est à l’origine des recherches sur les PAC effectuées dans les années 80 par la société Ballard, aujourd’hui leader dans le domaine de la pile à membrane échangeuse de protons (PEM). Les travaux réalisés sur les matériaux mis en œuvre dans les piles ont ensuite donné lieu à des réalisations plus compactes et ont alors permis d’envisager des applications potentielles dans le domaine de la fourniture d’énergie délocalisée et dans celui des transports. Depuis une dizaine d’années, les colloques scientifiques sur les piles à combustible se multiplient. Des petites unités de production d’électricité et de chaleur à partir d’une pile à combustible sont implantées un peu partout dans le monde. Les grands constructeurs automobiles ont désormais tous présenté un ou plusieurs démonstrateurs à pile à combustible. Nous présentons dans l’annexe 1.2 quelques exemples d’utilisations possibles de la PAC dans les domaines des applications portables, du stationnaire et des transports.
Principe de base La pile à combustible permet la conversion directe en énergie électrique de l’énergie libre d’une réaction chimique d’oxydo-réduction. Comme une batterie ou un accumulateur, une cellule de pile à combustible comporte deux électrodes. L’électrode négative est le siège de la rédaction d’oxydation du carburant, généralement l’hydrogène. Du côté de l’électrode positive a lieu la réaction de réduction du comburant, généralement l’oxygène de l’air. Les deux électrodes sont séparées par un électrolyte. Dans le cas d’une pile de type PEM, une membrane solide assure la fonction d’électrolyte ; les faces des électrodes sont recouvertes par un catalyseur, le platine. L’ensemble électrode négative – électrolyte – électrode positive constitue le cœur de pile. L’alimentation de celui-ci en réactifs se fait par l’intermédiaire de plaques distributrices. Le carburant et le comburant sont fournis à la pile dans des conditions de pression, température, hygrométrie et pureté définies, de façon continue pour assurer la production du courant. Selon le type de pile, les réactions chimiques intermédiaires mises en jeu varient mais le principe général demeure inchangé. La différence de potentiel aux bornes de chaque cellule de pile est faible ; en fonctionnement, elle est inférieure au volt. Pour la plupart des applications, il est donc nécessaire de constituer un empilement de cellules, communément appelé stack, pour disposer d’un niveau de tension suffisant. Dans une pile à combustible, les fonctions alimentation en réactifs et transformation de l’énergie chimique en énergie électrique sont clairement dissociées. Aussi l’autonomie d’une pile alimentée en air n’est-elle liée qu’à la taille du réservoir contenant le carburant. C’est là un intérêt majeur de la pile à combustible par rapport à une batterie qui ne peut contenir en elle qu’une quantité limitée de réactifs. D’ailleurs, les piles à combustible sont caractérisées par la puissance délivrée par unité de surface d’électrode, ou bien par unité de volume ou de masse, alors que les batteries sont elles caractérisées par la quantité d’électricité volumique ou massique stockée.
Les différents types de PAC Il existe différents types de piles à combustible qui se différencient essentiellement par la nature de l’électrolyte utilisé et par la température de fonctionnement [Prigent] :
– pile à combustible à acide phosphorique (PAFC),
– pile à combustible à électrolyte alcalin (AFC),
– pile à combustible à carbonate fondu (MCFC),
– pile à combustible à oxyde solide (SOFC),
– pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC),
– pile à combustible à méthanol directe (DMFC).
Chaque type de pile peut avoir des domaines privilégiés d’applications [cf Annexe 1.4]. Les piles fonctionnant à haute température ont pour avantage de ne pas utiliser de catalyseur noble et d’utiliser directement des composés hydrogénés comme combustible. Les principaux inconvénients rencontrés sont liés à la technologie de leurs matériaux soumis à des températures élevées et à un temps de mise en fonctionnement long dû à la montée en température. Les piles à basse température ne sont pas soumises à ces problèmes mais elles utilisent des catalyseurs nobles (platine) chers et sensibles à l’empoisonnement, notamment par le monoxyde de carbone et certains composés souffrés. Ceux-ci agissent comme des polluants et empêchent la réaction chimique de se dérouler de manière optimale. Pour des raisons principalement liées à la fiabilité et à des contraintes d’industrialisation en grande série, les piles possédant un électrolyte solide sont les plus attractives. Les piles PEM et les SOFC sont considérées comme étant les plus prometteuses. C’est la technologie PEM qui est retenue dans la plupart des programmes de recherche liés aux transports, à cause de sa température basse de fonctionnement moins difficile à gérer que la haute température des SOFC.

Le conditionnement entrée-sortie cathode

    La pile à combustible peut être alimentée directement en oxygène pur. Celui-ci est alors stocké sous pression dans un réservoir (cas des sous-marins par exemple). La pile à combustible peut également être alimentée en air. Dans ce cas, l’air est comprimé au moyen d’un compresseur ou bien pompé si la pile fonctionne à pression atmosphérique. Le choix de la pression de fonctionnement a une influence sur le rendement de la conversion électrochimique (chapitre 2), sur le procédé d’humidification des réactifs et sur la consommation en énergie du compresseur (chapitre 4). Un fonctionnement à haute pression permet d’obtenir de fortes densités de puissance pour la pile ; il facilite aussi la gestion hydrique et thermique. L’utilisation d’une turbine de détente en sortie cathode permet de récupérer jusqu’à 50 % de l’énergie de compression. Un fonctionnement à basse pression conduit au niveau de la pile à un rendement en tension moins bon et oblige à augmenter la capacité de l’ensemble humidification / condensation. Par contre, à basse pression, l’ajout d’une turbine n’est plus nécessaire et le système s’en trouve simplifié. L’air sort de la cathode saturé d’humidité et en présence d’un flux d’eau liquide.

Les différents types de modèle de pile

    Différents modèles de pile à combustible ont été développés pour décrire son comportement. Les modèles varient en fonction de leur niveau de complexité, des échelles de temps et de distance sur lesquelles se déroulent les phénomènes étudiés. Les modèles deviennent très, voire trop compliqués (temps de calcul informatique rédhibitoire) lorsque l’on tente de tenir compte de l’ensemble des phénomènes. La modélisation doit donc être faite dans une optique précise, en trouvant un juste équilibre dans le degré de finesse à adopter lors de la description des différents phénomènes et en gardant à l’esprit les limites du modèle. Ainsi, certaines modélisations de la pile, destinées au contrôle commande, font appel à une simple relation empirique et statique liant la tension de pile à la densité de courant. Ces modèles ne prennent pas en compte les limitations en dynamique dues au transport de charge et de matière ; ils ne tiennent pas non plus compte des limitations dues à l’hydraulique, à la thermique pouvant intervenir dans un fonctionnement en dynamique de la pile. D’autres modèles s’appuient sur une description des phénomènes physico-chimiques intervenant dans les différents compartiments [Bernardi 137][Bernardi 139] et permettent de coupler la gestion de l’eau et de la chaleur [Fuller]. Des modèles hydrauliques et thermiques sont alors proposés. Certaines études, plus orientées « matériaux », portent sur une partie précise et bien spécifique de la pile à combustible, par exemple la couche active [Thèse Bultel] et traitent de phénomènes se déroulant à l’échelle microscopique, voire nanoscopique (catalyse). Les modèles de pile du CEA associent quant à eux des modèles de connaissance de la membrane, des électrodes (zones active et diffusionnelle), des compartiments anode et cathode (plaques distributrices de gaz à canaux ou à poreux) à un calcul de la réponse électrochimique de la pile, calculée à partir d’une relation électrique de type semi-empirique et quasi-statique. Les modèles utilisés font largement appel aux domaines de l’hydraulique et de la thermique. En outre, le CEA développe des modèles pour les auxiliaires de la pile (compresseur, échangeur, pompe…) et propose un modèle complet de groupe électrogène. Celui-ci sera mis en œuvre dans les simulations du chapitre 4. Nous présentons dans ce chapitre un modélisation de cellule de pile à combustible, permettant d’abord un calcul de la réponse électrochimique en stationnaire d’un point de vue hydraulique et thermique, c’est-à-dire pour des concentrations d’espèces, des pressions et une température données. Cette modélisation nous conduit soit à une relation semi-empirique, liant la tension de pile au courant, et dans laquelle interviennent des coefficients à déterminer expérimentalement, soit à une expression (plus) analytique de la tension de pile paramétrée par le courant, par la température et les concentrations des espèces. Les phénomènes de transport de matière dans la couche de diffusion et les transferts de charge aux interfaces sont décrits. Les phénomènes de transport de matière et de charge dans la couche active sont négligés. Nous montrons également qu’il est possible, à la manière des électrochimistes, de fournir un diagramme d’impédance (ou représentation fréquentielle) de la pile en tout point de la courbe de polarisation statique calculée. Un circuit électrique équivalent de la pile, établi à partir des mécanismes d’oxydoréduction et de double couche, est décrit. Il permet de donner un caractère dynamique à la modélisation du transport de matière dans la couche de diffusion et du transfert de charge aux interfaces. Les phénomènes physiques envisagés sont ceux qui touchent d’assez près le domaine électrique. Ils concernent d’ailleurs essentiellement le cœur de pile (assemblage électrode – membrane – électrode), lieu de la réaction électrochimique. La réponse hydraulique dans la membrane est cependant décrite, de façon à pouvoir calculer la résistivité de  celle-ci en fonction des conditions d’hydratation. Les phénomènes hydrauliques et thermiques, les transports de matière ayant lieu dans les compartiments cathode et anode, les bilans de masse sont décrits de façon plus sommaire. Au cours de cette thèse, pour effectuer certaines simulations, nous avons parfois eu besoin de la réponse hydraulique et thermique en transitoire d’une pile ou d’un groupe électrogène à pile à combustible. Nous avons alors eu recours aux modèles développés par le CEA.

Table des matières

Introduction et contexte de l’étude
Chapitre 1 La pile à combustible, un convertisseur d’énergie performant
1 L’hydrogène, une nouvelle houille blanche ?
2 La pile à combustible
2.1 Historique
2.2 Principe de base
2.3 Les différents types de PAC
2.4 La pile PEM
2.4.1 Description d’une cellule
a) Les plaques permettant l’amenée des gaz
b) Les électrodes
c) La membrane électrolytique
2.4.2 Caractéristique tension – courant d’une cellule
2.4.3 Rendements de la pile PEM et du système pile
2.5 Le groupe électrogène à pile à combustible
2.5.1 Le conditionnement entrée-sortie cathode
2.5.2 Le conditionnement entrée-sortie anode
2.5.3 Le refroidissement et l’humidification
3 Conclusion
Chapitre 2 Modélisations de la pile à combustible
1 Les différents types de modèle de pile
2 La réponse électrique en régime stationnaire
2.1 Les surtensions anodique et cathodique
2.1.1 Relation courant-tension contrôlée par le transfert de charge
2.1.2 Contrôle mixte : transfert de charge et transport de matière
2.2 Les pertes ohmiques
2.3 Expression de la relation courant-tension
2.4 Les effets de la pression et de la température sur la tension de pile
3 La réponse hydraulique
3.1 La membrane
3.1.1 Le bilan de masse
3.1.2 Traitement du transport diffusionnel et de l’électro-osmose
a) Le transport diffusionnel
b) Le transport par électro-osmose
3.2 Les électrodes
3.3 Les plaques bipolaires
3.3 Problèmes liés à l’empilement et aux cellules de grande taille
3.3.1 L’empilement
3.3.2 Les cellules de grande taille
4 La réponse électrique en régime dynamique
4.1 Structure de l’impédance faradique
4.2 Circuit électrique équivalent de la réaction redox
4.3 Circuit électrique équivalent d’une cellule de pile à combustible
4.4 Diagrammes d’impédance
5 Quel modèle de pile pour quelle application?
Chapitre 3 Le supercondensateur, un dispositif tampon destiné au stockage rapide de l’énergie
1 Les condensateurs classiques
2 Les supercondensateurs
2.1 Historique
2.2 Principaux types de supercondensateurs
2.2.1 Les supercondensateurs aux électrodes en charbons actifs
2.2.2 Les supercondensateurs aux électrodes à base d’oxydes métalliques
2.2.3 Les supercondensateurs utilisant des polymères conducteurs électroniques comme matériau d’électrodes
2.2.4 Comparaison entre les différents types de supercondensateurs
2.3 Comparaison avec d’autres éléments de stockage
2.4 Applications des supercondensateurs
3 La modélisation des supercondensateurs
3.1 Les modèles de la double couche électrochimique
3.2 Impédance d’un supercondensateur
4 Méthodes de caractérisation des supercondensateurs
5 Choix d’un modèle
6 Mise en œuvre des supercondensateurs
6.1 Dispositif d’équilibrage des tensions
6.2 Choix du convertisseur servant d’interface avec le bus continu
6.2.1 Les différentes solutions
6.2.2 Le hacheur deux quadrants réversible en courant
7 Conclusion
Chapitre 4 L’hybridation et la gestion de l’énergie
1 Simulations avec modèles quasi-statiques pour la source d’énergie
1.1 Principe de l’hybridation
1.2 Description du véhicule
1.2.1 Le groupe motopropulseur
1.2.2 Le groupe électrogène à pile à combustible
1.2.3 Les supercondensateurs
1.3 Le logiciel Advisor
1.4 Les modèles des éléments de la chaîne de traction
1.4.1 Le groupe motopropulseur
1.4.2 Le groupe électrogène à pile à combustible
1.4.3 Les supercondensateurs
1.4.4 Le hacheur servant d’interface entre le GE à PAC et les supercondensateurs
1.5 Intérêt de l’hybridation du GE à PAC
1.6 Première stratégie
1.6.1 Principe général
1.6.2 Détermination de la consigne de puissance du GE à PAC en phase de fonctionnement
1.6.3 Mise en fonctionnement et arrêt du GE à PAC
1.6.4 Récapitulation des paramètres de la stratégie de gestion
1.6.5 Simulations sur profils de mission
1.6.6 Optimisation du choix des valeurs des paramètres de contrôle
1.6.7 Taux d’hybridation
1.7 Seconde stratégie
1.7.1 Problème
1.7.2 Introduction de la notion de consommation équivalente instantanée
1.7.3 Correction de l’état de charge
1.7.4 Evolutions possibles de la loi de gestion de l’énergie
1.8 Conclusion et perspectives
2 Simulations avec modèles dynamiques pour la source d’énergie
2.1 Description du véhicule
2.1.1 Architecture de la chaîne de traction
2.1.2 Description générale du GE à PAC
2.1.3 Description du dispositif tampon de stockage de l’énergie
2.2 Modélisation de la chaîne
2.2.1 Description du modèle global
2.2.2 Modèle du GE à PAC développé par le CEA
2.2.3 Modèle du banc de supercondensateurs
2.2.4 Modèle des convertisseurs
2.2.5 Modèle du groupe motopropulseur
2.2.6 Modèle de la transmission
2.2.7 Modèle du châssis
2.3 Résultats sur un profil de mission donné
2.4 Cas particulier du démarrage
2.5 Conclusion
Chapitre 5 Conception et réalisation d’un démonstrateur Robot mobile à pile à combustible
1 Structure initiale du robot mobile
2 Hybridation par une pile à combustible
2.1 Description de la pile
2.2 L’interface pile – batteries
2.2.1 La topologie du convertisseur électronique de puissance
2.2.2 Protection de la pile
2.2.3 La commande
3 Réalisation du démonstrateur
3.1 Performances du hacheur
3.2 Les premiers essais sur banc
3.2.1 La réponse à une consigne de courant en créneau
3.2.2 Les formes d’ondes dans le circuit électrique
4 Travaux de modélisation de la chaîne de traction
4.1 Modélisation hautes fréquences
4.2 Modélisation moyennes fréquences
4.2.1 La pile
4.2.2 Les groupes motopropulseurs
4.2.3 La chaîne de traction
4.3 Simulation sur des profils de mission
4.3.1 La pile
4.3.2 Les groupes motopropulseurs
4.3.3 Le modèle global de la chaîne de traction
5 Conclusion et perspectives
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes

Télécharger le rapport complet