Rendement d’une pile à combustible a électrolyte polymère solide (PEMFC) 

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La production d’hydrogène par oxydation partielle

Le procédé d’oxydation partielle consiste à convertir, en présence d’oxygène, des hydrocarbures en hydrogène et en oxydes de carbone. L’oxydation partielle des hydrocarbures est réalisée à haute température (1200 à 1500°C) et à pression élevée (20 à 90 bar ou plus), en présence d’oxygène en tant qu’oxydant et d’un modérateur de température (la vapeur d’eau). Elle conduit, à l’instar du vaporeformage, à la production de gaz de synthèse. En revanche, la réaction est exothermique et se déroule avec ou sans catalyseur en fonction de la charge et du réacteur utilisé. Les deux technologies majeures au niveau industriel sont les procédés Shell et Texaco.
Le procédé comporte les grandes étapes :
– Unité de production d’oxygène .
– Oxydation partielle .
– Conversion du CO .
– Désulfuration après conversion du CO pour le procédé Shell .
– Purification des gaz produits conduisant à la production d’hydrogène.

Production par électrolyse de l’eau

L’électrolyse de l’eau ne représente actuellement que quelques pour-cent de la totalité de l’hydrogène produit. Néanmoins, comme elle est un mode de production a priori propre qui fournit de l’hydrogène de pureté élevée, elle est de ce fait du plus haut intérêt pour des applications telles que les piles à combustible. L’électrolyse de l’eau est un procédé électrochimique permettant, grâce à de l’énergie électrique, de décomposer de l’eau en hydrogène et oxygène, selon les deux réactions chimiques ayant lieu séparément à l’anode et à la cathode :
À l’anode : ?2O + électricité → 2?+ + ½ ?2 + 2e− (1.1).
À la cathode : 2?+ + 2e− → ?2 (1.2).
La réaction globale: ?2O + électricité → ?2+ ½ ?2 (1.3).

Stockage, Transport et distribution d’hydrogène

L’hydrogène n’étant pas une énergie primaire mais un vecteur d’énergie, il ne présente un intérêt que lorsque l’énergie primaire n’est pas utilisable directement pour diverses raisons (timing, offre et demande, applications portables…). En conséquence, considéré comme une réserve d’énergie, il doit être stocké sous l’un ou l’autre état afin d’être utilisable à tout moment. L’hydrogène est le composé dont la densité d’énergie massique est la plus élevée parmi les combustibles courants (120 MJ/kg pour l’hydrogène contre 50 MJ/kg pour le gaz naturel et 45 MJ/kg pour l’essence). Néanmoins, il possède la masse volumique la plus faible de tous ces combustibles et sa température d’ébullition est de 20K à pression atmosphérique.
Ces caractéristiques sont très pénalisantes pour son utilisation aussi bien dans les systèmes stationnaires que portables. Les différentes solutions envisagées à ce jour pour stocker de l’hydrogène sont :
Sous forme de gaz comprimé dans des réservoirs (de 300 à 700 bars) .
Sous forme de liquide par cryogénie (moins de 20 K) .
Sous forme solide dans des microbilles de verre ou dans des hydrures.

Stockage de l’hydrogène par adsorption sur charbons actifs

L’adsorption d’hydrogène par un solide est l’augmentation de la densité de ce gaz à la surface du solide par l’effet des forces intermoléculaires. Cette adsorption augmente avec la pression du gaz et plus la température est basse. Ce phénomène de surface, purement physique et réversible, ne peut être utilisé pour stocker un gaz qu’avec un solide à grande surface spécifique, donc à la fois très divisé, sous forme de fine poudre, et très poreux. Les matériaux les plus couramment utilisés, les charbons actifs, sont constitués par des microcristaux de graphite dont l’enchevêtrement forme un réseau de pores ayant des diamètres de l’ordre du nanomètre.

Stockage de l’hydrogène par adsorption sur nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone sont obtenus par l’enroulement cylindrique d’une partie d’un plan basal de graphite. Le diamètre d’un nanotube augmente en fonction de la dimension de la partie du plan de graphite constituant sa paroi. Cette configuration de nanotubes est l’une des plus compacts possibles.

Stockage de l’hydrogène dans des billes de verre

La résistance mécanique du verre leur permet d’atteindre des pressions d’éclatement d’environ 1500bars pour un diamètre de 12μm et une épaisseur de 2μm. La restitution de l’hydrogène s’effectue soit de façon réversible en chauffant le verre pour le rendre à nouveau perméable, soit de façon irréversible en broyant les billes.

Energies renouvelables, électrolyseur et pile à combustible

L’une des caractéristiques des énergies renouvelables est qu’elles sont disponibles de manière intermittente. Le vent ne souffle pas continuellement, le rayonnement solaire n’est pas disponible la nuit, etc. Lorsque le vent ou le soleil ne sont pas présents, il n’est pas possible de produire de l’électricité. Il est par contre judicieux de produire de l’hydrogène par l’électrolyse de l’eau lorsque l’électricité d’origine solaire ou éolienne est disponible et de stocker cet hydrogène pour le reconvertir en électricité en temps voulu. De plus, le coût des combustibles fossiles va continuer de progresser dans le futur. Lorsque le prix des énergies renouvelables sera comparable à celui des combustibles fossiles, l’économie dépendante du pétrole va être remplacée par une économie basée sur les énergies renouvelables. Dans le modèle économique du futur, les maisons individuelles, par exemple, seront capables de produire leur propre énergie. Ce fait permettra de redistribuer le pouvoir, car les grandes compagnies pétrolières ne seront pas à même de contrôler autant de ressources ou de richesse. Ces maisons individuelles produiront également un supplément d’énergie qu’elles pourront injecter sur le réseau de distribution électrique pour que d’autres sites, moins pourvus en énergie renouvelable puissent en bénéficier.

Les avantages des PAC

Les piles à combustibles présentent de multiples avantages par rapport à d’autres sources d’énergie et notamment par rapport à des énergies fossiles tels que le gaz ou le pétrole.
Tout d’abord les rendements de ce type de pile sont bien supérieurs à d’autres sources. Le rendement des PAC s’échelonne en effet entre 40 et 70% même pour des systèmes de petite taille. En comparaison, le rendement d’un moteur thermique ne dépasse pas 30%. Un autre avantage de taille est le fait qu’une pile à combustible ne rejette pas de gaz à effet de serre et ne pollue donc pas. Il faut toutefois remarquer que la production de dihydrogène nécessite de l’énergie et l’impact sur l’environnement des piles à combustible dépend justement de cette production. En effet, si le dihydrogène est produit à partir d’hydrocarbures, la pile polluera bien plus que si le combustible est produit par des énergies renouvelables telles que l’énergie solaire par exemple. Les PAC sont également silencieuses et ne provoquent pas de vibrations à l’inverse d’une combustion par exemple. L’autre avantage des piles à combustible est que, contrairement aux énergies solaires ou éoliennes, le dihydrogène nécessaire à l’alimentation de la pile peut être stocké, et donc utilisé en continu.
Du fait de tous ces avantages, les PAC font l’objet de recherches poussées pour réduire ou atténuer leurs défauts et permettre des applications industrielles.

Les inconvenients des PAC

À ce jour, le premier défaut des PAC est le prix. En effet, la majorité des PAC font appel à des métaux précieux en tant que catalyseur, comme le platine par exemple. Certains composants comme les membranes ou les électrodes en graphite sont aussi très coûteux. La production de masse permettrait également de réduire les coûts de façon significative. Selon certains experts, ces problèmes de prix devraient être résolus d’ici une dizaine d’années.
La fiabilité et la durée de vie des piles à combustible sont deux autres défauts qui empêchent actuellement la production à grande échelle. En effet, actuellement la durée de vie des PAC n’est généralement de quelques milliers d’heures. Seulement, pour pouvoir être rentable, il faudrait que la durée de vie des appareils atteigne entre 20000 et 40000 heures. De plus, de nombreux types de PAC sont très sensibles aux impuretés (monoxyde et dioxyde de carbone par exemple). Ainsi, il est nécessaire d’avoir des combustibles très purs, ce qui est évidemment coûteux. En plus de la pureté, le combustible des PAC pose d’autres problèmes. Le premier d’entre eux est la dangerosité. En effet, le dihydrogène est extrêmement inflammable et ceci est bien évidemment un frein à l’industrialisation des PAC. Enfin, la production du dihydrogène est également problématique. Même s’il est possible de produire du dihydrogène par électrolyse de l’eau, il faudrait de grandes quantités de courant pour une production de masse. Une technique plus applicable est d’obtenir du dihydrogène à partir d’hydrocarbure. Or ceci est contraire à l’objectif des PAC de devenir une alternative aux énergies fossiles. Une dernière technique serait l’utilisation de réacteurs nucléaires faisant intervenir à haute température deux réactifs contenant de l’hydrogène. Ainsi, on voit qu’avant de devenir une réelle alternative aux énergies fossiles et polluantes, il faudra trouver des solutions applicables à tous ces inconvénients.

Principe de fonctionnement de la pile

Le fonctionnement de la pile à combustible se repose sur le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Des réactifs chimiques permettent la production d’énergie électrique. D’une façon générale, le combustible c’est-à-dire l’hydrogène se combine avec de l’oxygène pour former de l’eau selon une réaction chimique globale universellement connue : 12 ?2 +?2 ?2O (3.1).
La réaction électrochimique met en oeuvre une membrane d’électrolyte solide conductrice de protons, et imperméable aux gaz réactifs (Hydrogène et Oxygène). L’électrolyte se situe entre deux électrodes (l’anode et la cathode). La figure III-1 représente le principe de fonctionnement d’une pile de PEM.

Structure d’un empilement de la pile à combustible de type PEM

La tension d’une seule cellule à l’état standard (25°C et 1 bar) est d’environ 1.299 V. Par ailleurs, la tension d’une cellule sous le chargement est environ 0.6 V – 0.7 V. Ainsi, il est nécessaire de disposer des cellules en série électrique, formant un “empilement” afin d’atteindre une tension suffisante. La tension d’un empilement est alors la somme de toutes les tensions des cellules. L’empilement de la pile peut satisfaire les besoins en tension de systèmes alimentés électriquement.
Un empilement de la pile est constitué de cellules unitaires, serrées par des plaques de serrage (PS) aux deux extrémités pour la conductivité électrique entre ces plaques.
Une cellule unitaire comprend 5 éléments : Un assemblage membrane des électrodes (MEA), deux couches de diffusion gazeuses (GDL) et deux plaques bipolaires (BPP). La plaque MEA est insérée entre deux GDLs en carbone poreuses enduites de PTFE pour distribuer les combustibles sur les électrodes. Les GDLs et la plaque MEA sont encore pris en sandwich entre deux BPPs en graphite, sur lesquelles la distribution des canaux gravés et des dents est alternée.

Table des matières

PARTIE I : INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITE SUR LES PILES A COMBUSTIBLES ET FILIERE HYDROGENE
I.1. Contexte générale
I.2. Filière Hydrogène
I.2.1.1. La production d’hydrogène par vaporeformage
I.2.1.2. La production d’hydrogène par oxydation partielle
I.2.1.3. Production par électrolyse de l’eau
I.2.1.4. La production d’hydrogène par dissociation de l’eau à partir d’un réacteur nucléaire
I.2.2.1. Stockage, Transport et distribution d’hydrogène sous forme gazeux
a. Stockage
a.1. Stockages mobiles
a.2. Stockages stationnaires
b. Transport et distribution
I.2.2.2. Stockage et distribution sous forme liquide
a. Stockage
b. Transport et distribution
I.2.2.3. Stockage sous forme solide
a. Stockage de l’hydrogène par adsorption sur charbons actifs
b. Stockage de l’hydrogène par adsorption sur nanotubes de carbone
c. Stockage de l’hydrogène dans des billes de verre
CHAPITRE II : DESCRIPTION GENERALE D’UNE PILE A COMBUSTIBLE
II.1. Historique de la pile
II.2. Types des piles à combustible
II.3. Energies renouvelables, électrolyseur et pile à combustible
II.4. Domaine d’application de la pile à combustible
Domaine embarquée
Secteur Portable
II.5. Les avantages des PAC
II.6. Les inconvenients des PAC
PARTIE II : METHODOLOGIES
CHAPITRE III : PILES A COMBUSTIBLE DE TYPE PEM
III.1. Pourquoi la piles à combustible de type PEM?
III.2. Etude générale d’une pile à combustible de type PEM
Structure d’un empilement de la pile à combustible de type PEM:
Assemblage et processus opératoire de la PAC:
III.3. Etude des Composants de la PAC, leurs rôles et leurs caractéristiques
Couches de diffusion gazeuse (GDL):
Plaques bipolaires (BPP):
CHAPITRE IV : ETUDE ELECTROCHIMIQUE DE LA PAC
IV.1. Performance idéales d’une PEMFC
IV.2. Performance réelles
IV.3. Etude des phénomènes de polarisations
Polarisation Ohmique
Polarisation de concentration (transfert de matière):
IV.4. Potentiel réel
Potentiel réel de la cathode
Potentiel réel global
IV.5. Rendement d’une pile à combustible a électrolyte polymère solide (PEMFC)
IV.6. Aménagement de l’eau à l’intérieur de la pile
CHAPITRE V : MODELISATION STATIQUE DES PILES A COMBUSTIBLE
V.1. Equation générale de la pile à combustible
Les pertes d’activation
Les pertes Ohmiques
Perte due aux transferts de masse
V.2. Rendement d’une pile à combustible et sa puissance délivrée
PARTIE III : RESULTAT ET DISCUSSION
CHAPITRE VI : SIMULATION DU MODELE ET INTERPRETATION DES RESULTATS
VI.1. CARACTERISTIQUE STATIQUE
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO
Résultats et Interprétation des résultats
Courbe de polarisation pour une pile constitue de 2 cellules en série
VI.2. COURBE DE DENSITE DE PUISSANCE EN FONCTION DE LA DENSITE DE COURANT
Densité de puissance en fonction de la densité de courant pour une pile constitue de 2 cellules
VI.3. Rendement électrique
VI.4. Influence des paramètres sur les piles à combustible
VI.4.1.1. Résultats et Interprétation des résultats
VI.4.2.1. Résultats et Interprétation des résultats
VI.4.3.1. Résultats et Interprétation des résultats
CHAPITRE VII : DIMENSIONNEMENT DE L’EMPILEMENT D’UNE PILE A COMBUSTIBLE POUR ALIMENTER UNE VILLAGE DONT LA PUISSANCE DE POINTE EST EGALE A 2,85 KW
VII.1. CALCUL DE LA PUISSANCE DE L’UTILISATEURS ET SCHEMA BLOC DE L’INSTALLATION
VII.2. DIMENSIONNEMENT DE LA PILE
Détermination de la surface des cellules
CONSOMMATION MENSUEL D’HYDROGENE
CONCLUSION
ANNEXES
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE

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