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RÉSUMÉ
Les piles à combustible trouvent aujourd’hui des applications dans un grand nombre de domaines. Pour cela, l’objet unitaire "pile à combustible" doit tout d’abord être intégré dans un système, lequel permet d’alimenter la pile à combustible en carburant et comburant, de mettre en forme l’énergie électrique produite, de gérer la chaleur au sein et autour de la pile à combustible et de s’assurer des conditions opératoires de l’ensemble via un dispositif de contrôle/commande.
Cet article présentera tout d’abord les principales caractéristiques d’un tel système de pile à combustible, avant de se focaliser sur les applications des piles à combustible dans le domaine de la production stationnaire d’énergie et dans celui des mobilités terrestres (véhicules personnels, bus, camions, trains).
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Lire l’articleAuteur(s)
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Daniel HISSEL : Professeur, université de Franche-Comté, Institut universitaire de France (IUF), FEMTO-ST, CNRS, Directeur-adjoint Fédération nationale hydrogène du CNRS
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Michel CASSIR : Professeur émérite, Chimie ParisTech, université PSL, Institut de recherche de chimie Paris (IRCP), France
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Claude LAMY : Professeur émérite, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, membre de France Hydrogène, France
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Gilles TAILLADES : Professeur, Directeur de la mention Énergie, Institut Charles Gerhardt (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
Depuis leur invention en 1839, les perspectives d’un développement commercial des piles à combustible n’ont jamais été aussi bonnes, par suite des efforts de la recherche, de choix stratégiques de grands groupes industriels, de constructeurs automobiles et en réponse à un contexte environnemental, sociétal et politique, en forte évolution.
L’objet technologique qu’est la pile à combustible ne peut pas fonctionner seul. Il doit être impérativement associé à d’autres objets technologiques, souvent qualifiés d’« auxiliaires », mais néanmoins totalement indispensables à son fonctionnement. Cet article, en complément aux trois articles auquel il est associé, doit permettre de donner au technicien et à l’ingénieur les bases nécessaires à la conception d’un tel « système » pile à combustible, associant le cœur de pile avec ses auxiliaires de fonctionnement, dans l’objectif de permettre d’optimiser les performances statiques et dynamiques d’un tel système, tout en préservant sa durabilité et en minimisant ses coûts d’investissement et de fonctionnement.
Par ailleurs, une fois le système pile à combustible ainsi constitué, cet article décrira également les applications aujourd’hui existantes dans le domaine des systèmes stationnaires de production d’énergie, mais aussi dans celui de la mobilité terrestre, ou plutôt des mobilités terrestres, tant la conception de celles-ci peut s’avérer différente, selon le cahier des charges auquel ces systèmes hydrogène doivent répondre.
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Mobilités terrestres
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7. Applications stationnaires
Les qualités environnementales des piles à combustible (faibles émissions, faibles nuisances sonores) font qu’elles sont adaptées à une production d’énergie proche de l’utilisateur, pour des applications hors mobilité. Ainsi, une production locale d’électricité permet d’alimenter un microréseau électrique (connecté ou non connecté au réseau principal), de proposer une alimentation électrique en site isolé (groupe électrogène), de sécuriser une installation des coupures d’électricité, en particulier pour les centres de données et de calculs informatiques (data centers) ou les lieux devant être alimentés électriquement de manière sécurisée (hôpitaux, centres de secours, préfectures, etc.).
La chaleur, qui est également produite localement par la pile, peut être valorisée pour du chauffage ou de la production de vapeur selon la température de fonctionnement (tableau 4). Les piles à combustible fonctionnant à plus haute température (PAFC, MCFC et SOFC) sont moins, ou pas du tout, sensibles aux impuretés tel que le monoxyde de carbone provenant de combustibles primaires transformés. Elles peuvent donc être utilisées, avec une variété de combustibles tels que le biogaz, du gaz issu d’un digesteur, du LGP, du gaz naturel, de l’hydrogène fatal provenant d’industrie chimique ou de l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau. Les piles à combustible fonctionnant à plus basse température nécessitent, quant à elles, un carburant de plus grande pureté, pour assurer leur bon fonctionnement et leur durée de vie.
7.1 Centrales électriques
Les premières centrales électriques expérimentées à grande échelle étaient basées sur des systèmes PAFC de puissance, notamment aux USA avec des puissances de 1 MW en 1977, puis 4,5 MW en 1983 (programme Target – Team to Advance Research in Gas Energy Transformation) et au Japon avec un système de 11 MW qui a fonctionné pendant 2 ans de 1993 à 1995 à Goi (Baie de Tokyo) avec un rendement électrique global de 41 % au début et 39 % à la fin (programme Moonlight-Miti).
En Europe, Solvay a annoncé en 2012 la mise en service à l’usine SolVin de Lillo (Anvers) d’une pile à combustible PEMFC d’une puissance de 1 MW, permettant d’alimenter...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BARBIR (F.) - PEM Fuel Cells: Theory and practices. - Elsevier Academic Press, San Diego, Califiornia (2005).
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(2) - KALAMARAS (C.M.), EFSTATHIOU (A.M.) - Hydrogen Production Technologies : Current State and Future Developments. - Conference Papers in Science, vol. 2013, 690627 (2013).
-
(3) - VOLDSUND (M.), JORDAL (K.), -ANANTHARAMAN (R.) - Hydrogen Energy. - International Journal of Hydrogen, 41, pp. 4969-4992 (2016).
-
(4) - Ordonnance n° 2021-167 du 17 février 2021 - relative à l’hydrogène.
-
(5) - - https://www.linde-engineering.com
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(6) - WANG (H.), GAILLARD (H.), HISSEL (D.) - A review of DC/DC converter-based electrochemical impedance spectroscopy for fuel cell electric vehicles. - Renewable...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Principe des piles à combustible. Piles à membranes basse température.
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Piles à combustible PEMFC et SOFC – Description et gestion du système.
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