Soutenance mémoire
Le système de pile à combustible appliqué aux transports
La tension d’une pile à combustible est le résultat d’un équilibre complexe entre un grand nombre de paramètres opératoires tels que la densité de courant, la pression, la température, l’hydratation de la membrane etc. Afin de maximiser la tension de la pile ainsi que sa durée de vie, il convient de maîtriser ces paramètres. C’est le rôle des éléments composant le système de pile à combustible.
Enjeux techniques et économiques
Aujourd’hui, l’Europe à travers le Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) dépeint un système de pile à combustible, viable économiquement pour le transport léger de 2030, avec les caractéristiques suivantes :
– une densité de puissance volumique des cellules du stack à 10 kW/L ;
– une durabilité : > 7 000 h ;
– un coût de production du système < 40 €/kW (>100 000 pièces produites /an) ;
– une consommation d’hydrogène < 1 kg/100 km.
Pour y parvenir, deux axes de travail ont été identifiés, le premier sur la réduction des coûts du stack et le second concerne les systèmes. Le coût du stack est encore aujourd’hui majoritairement dominé par le catalyseur. Comme le présente la Figure 1-7, quelle que soit la quantité de stacks produite, le catalyseur représente toujours plus du quart du coût global. Les projets de recherche tendent aujourd’hui vers la fabrication d’AME à très faible chargement en platine avec une réduction de 0.4 g/kW (en 2017) vers un objectif de 0.05 g/kW en 2030.
L’autre élément onéreux est la plaque bipolaire qui représente de 18 à 28% du coût global. A nouveau, plusieurs axes de travail sont mis en place, notamment sur la réduction de l’épaisseur des plaques mais aussi et surtout sur le procédé de fabrication qui ne permet aujourd’hui que d’emboutir et souder les plaques une à une.
Architectures de systèmes pile commercialisés
La tension de la pile sera d’autant plus élevée que la pression et la température seront importantes. De même, comme décrit dans la section précédente, un bon état d’hydratation de la membrane favorise le transport des protons. Par conséquent, l’humidification de la pile ne doit pas être négligée. Le système pile à combustible doit donc permettre de contrôler les grandeurs ayant un impact sur la tension de la pile allant du conditionnement des gaz à la gestion de la température de la pile ou encore à la gestion électrique.
Le fonctionnement optimal d’une pile à combustible nécessite plusieurs fonctions à savoir :
– la gestion thermique (maintien d’une température stable dans la pile) ;
– la gestion fluidique (alimentation des gaz réactifs, humidification) ;
– la gestion électrique (contrôle de la puissance de la pile : tension des cellules, de la pile et du courant).
Le système de pile à combustible est borné aux éléments présents sur ces figures, c’està-dire les composants :
– du côté de l’air, à partir de la prise d’air ambiant jusqu’à l’échappement ;
– du côté hydrogène, depuis la sortie du stockage jusqu’à l’évent ;
– du côté fluide réfrigérant, uniquement la boucle de gestion thermique incluant la pile et les composants mentionnés ci-dessus (compresseur, réchauffage du circuit hydrogène…).
Ces deux systèmes comportent des architectures fluidiques différentes du côté air, notamment sur les solutions d’humidification de l’air, comme du côté hydrogène sur la boucle de recirculation. Ces différences seront identifiées et discutées dans la suite de ce manuscrit.
Dans les véhicules électriques à pile à combustible, le système de pile à combustible participe à l’alimentation du moteur électrique. Mais il n’est que l’un des sous-systèmes composant un système électrique global de motopropulsion.
Le véhicule est composé d’un sous-système de stockage de l’hydrogène, permettant l’alimentation du sous-système de pile à combustible au centre du véhicule.
L’énergie électrique fournie par ce dernier et/ou celle du sous-système batterie est converti à la plage de tension/courant permettant d’alimenter le moteur électrique. Le contrôle des flux électriques provenant de la batterie ou de la pile à combustible est effectué par le sous-système de contrôle de puissance à l’avant du véhicule. Dans ce manuscrit, le seul sous-système du véhicule étudié est le sous-système pile à combustible. Il sera simplement nommé « système pile ». Ni la batterie, ni le stockage, ni l’électronique de puissance ne seront considérés. Les calculs de rendement réalisés ne tiendront compte que des éléments définis dans le système pile et seront donc exempts des rendements des convertisseurs. En d’autres termes, seules les architectures fluidiques des réactifs : H2 et air seront étudiées.
Etat de l’art des architectures fluidiques des systèmes PEMFC
Les systèmes pile sont encore complexes et peinent à passer sous la barre des 45 $/kW d’après le rapport du DoE de 2017 (DoE Hydrogen and Fuel Cells Program Record). Ce chiffre est valable pour les systèmes destinés aux transports légers en estimant une quantité produite de 500 000 systèmes par an. Selon ce même rapport, une simulation des coûts en 2025 montre qu’ils pourraient diminuer de 14%. Cette diminution est rendue possible en réduisant le chargement des électrodes en catalyseur et en augmentant la densité de puissance des systèmes. En effet, à puissance finale fixée, un système plus dense énergétiquement deviendra mécaniquement moins coûteux.
Dans le cadre de cette étude, l’augmentation de la densité de puissance des systèmes pile est réalisée par une évolution de la gestion fluidique. En d’autres termes, il s’agit de supprimer certains composants des lignes fluidiques ou de réduire la taille d’autres composants.
Côté cathode, alimentation air
La fonction principale de l’architecture fluidique cathodique est le contrôle du débit d’air entrant dans la pile à combustible, de son humidification et de sa pression. Ceci peut être accompli par différentes stratégies de gestion fluidique et différentes architectures. Cette section propose de détailler les architectures communément utilisées. Sur la ligne air, la plupart des architectures se différencient uniquement par la méthode d’humidification employée. Les deux premiers éléments retrouvés sur le système Miraï et sur la Nexo sont un filtre à particules puis un compresseur pour la purification et la compression de l’air. A la suite de ces deux éléments, différents composants sont employés pour l’humidification. Les architectures se classent en deux catégories : l’humidification « externe » à la pile et l’humidification dite « interne ».
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1. Contexte et Etat de l’art
La technologie PEMFC
1.1.1. Généralités
1.1.2. Tension de cellule
1.1.3. Eléments constitutifs d’une pile à combustible PEM
Le système de pile à combustible appliqué aux transports
1.2.1. Enjeux techniques et économiques
1.2.2. Architectures de systèmes pile commercialisés
1.2.3. Etat de l’art des architectures fluidiques des systèmes PEMFC
Dimensionnement du système
1.3.1. Définitions
1.3.2. Circuit air
1.3.3. Circuit Hydrogène
1.3.4. Circuit de refroidissement
Impact des conditions de fonctionnement sur la durabilité de la pile
1.4.1. Définitions
1.4.2. Mode de sollicitation
1.4.3. Défauts de fonctionnement
1.4.4. Dégradations observées à l’échelle des composants de la pile
Conclusion
Chapitre 2. Etude de l’humidification par recirculation cathodique
Présentation de l’architecture cathodique
2.1.1. Etat de l’art
2.1.2. Description des architectures de recirculation
Outils et méthode de caractérisation
2.2.1. Architectures du banc système étudié
2.2.2. Configuration du système en recirculation air
2.2.3. Méthodes de caractérisation du fonctionnement en recirculation cathodique
2.2.4. Outils de diagnostic
Modélisation de la recirculation cathodique
2.3.1. Description du modèle
2.3.2. Résultats des simulations et validation
Analyse des résultats expérimentaux
2.4.1. Impact de la recirculation sur la dynamique du système
2.4.2. Impact de la recirculation sur les performances du stack à 70°C
2.4.3. Impact de la recirculation sur les performances du système à 70°C
2.4.4. Analyse de sensibilité en recirculation
2.4.5. Impact de la recirculation sur les performances des cellules à faible recirculation
Conclusion
Chapitre 3. Impact de l’alimentation alternée en hydrogène sur les performances de la pile à combustible
Présentation de l’architecture anodique
3.1.1. Etat de l’art
3.1.2. Configuration de la pile pour le Ping-Pong
3.1.3. Avantages liés à l’alimentation alternée ou Ping-Pong
Outils et méthode de caractérisation de l’architecture anodique
3.2.1. Configuration du système
3.2.2. Protocole de test
Analyse des résultats expérimentaux en fonctionnement Ping-Pong
3.3.1. Evolution de la tension de cellule
3.3.2. Etude du rendement de la pile
Analyse de sensibilité aux paramètres de Ping-Pong
3.4.1. Sensibilité à la fréquence de Ping-Pong
3.4.2. Sensibilité à la période de purge
Comparaison du fonctionnement Ping-Pong avec la recirculation hydrogène et le Dead-End Anode
Conclusion
Chapitre 4. Impact de l’alimentation alternée en hydrogène sur la durabilité de la pile à combustible
Outils et méthodes de caractérisation
4.1.1. Présentation des bancs de test et des stacks
4.1.2. Protocole de test
4.1.3. Méthodes de caractérisation
Résultats expérimentaux
4.2.1. Analyses in situ
4.2.2. A l’échelle de la cellule
4.2.3. Analyses ex-situ post mortem, recherche des mécanismes locaux de dégradation
Discussion
4.3.1. Zones d’alimentation/sortie du combustible
4.3.2. Zones d’alimentation/sortie de l’air
4.3.3. Zones aux milieux
4.3.4. Synthèse graphique des dégradations observées
Conclusion et perspectives
Conclusion générale
Annexes
Références bibliographiques
