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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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Applications stationnaires
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6. Contrôle/supervision
Comme présenté sur le schéma général du système de pile à combustible, l’organe de contrôle/supervision joue un rôle central dans l’orchestration du pilotage de l’ensemble du système. C’est lui qui est chargé d’élaborer les consignes de pilotage pour chacun des sous-systèmes constitutifs (groupe moto-compresseur, humidificateur, convertisseur statique, circuit de refroidissement, arrivée des gaz, etc.).
Pour ce faire, il va utiliser un certain nombre de capteurs physiques au sein du système. Ceux-ci peuvent dans l’idéal être de différentes natures : thermocouples, mesures de tension, courant, au niveau du stack ou par cellule unitaire, mesures de débits, mesures de pressions, mesures d’humidité, etc. Néanmoins, dans le cadre de la réalisation d’un système de pile à combustible présentant un coût maîtrisé, seules les mesures les plus accessibles financièrement seront conservées (mesures de courant, tension, températures) – voir tableau 3). Pour les autres grandeurs, on cherchera à se passer purement et simplement de la mesure, ou alors de la reconstituer via des capteurs logiciels (estimateurs ou observateurs au sens automatique du terme).
Différentes stratégies de pilotage du système complet pourront bien entendu être envisagées. Elles pourront s’appuyer sur un modèle analytique du système complet, reposer sur des approches issues de l’intelligence artificielle, ou alors hybrider ces deux approches. Les objectifs seront toujours la recherche de la meilleure valorisation énergétique possible de l’hydrogène consommé, les performances statiques et dynamiques les plus élevées possibles, mais aussi de conférer au système complet, et au stack en particulier, la plus grande durabilité possible, dans les conditions d’usage associées à l’application et à l’utilisateur.
Cette partie contrôle/supervision embarque également aujourd’hui, de plus en plus souvent, une capacité de diagnostic en temps réel de l’état de santé de la pile à combustible et du système associé, mais aussi une capacité d’estimation de la durée de vie restante (pronostic) ...
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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).
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(3) - VOLDSUND (M.), JORDAL (K.), -ANANTHARAMAN (R.) - Hydrogen Energy. - International Journal of Hydrogen, 41, pp. 4969-4992 (2016).
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(4) - Ordonnance n° 2021-167 du 17 février 2021 - relative à l’hydrogène.
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(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...
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