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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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Système de pile à combustible
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10. Glossaire
AC/DC (Alternative Current/Direct Current)
Électricité AC : courant alternatif et électricité DC : courant continu.
AEMFC (Anion Exchange Membrane Fuel Cell)
Pile à combustible à membrane échangeuse d’anions. C’est une architecture de piles à combustible qui utilise une membrane échangeuse d’anions pour séparer les compartiments d’anode et de cathode. Ces piles utilisent la diffusion d’anions basiques, généralement l’hydroxyde OH−, entre les électrodes.
AFC (Alkaline Fuel Cell)
Pile à combustible alcaline fait partie des techniques de piles à combustible les plus développées. Les AFC consomment de l’hydrogène et de l’oxygène pur en produisant de l’eau potable, de la chaleur et de l’électricité. Elles sont parmi les piles à combustible les plus efficaces, pouvant potentiellement atteindre 70 % de rendement.
APM (Adsoption à Pression Modulée) ; PSA : Pressure Swing Adsorption
Ce procédé permet d’obtenir de l’hydrogène extrêmement pur (0,99999 mole H2 dans le gaz de synthèse final). C’est un procédé de séparation de mélanges de gaz au cours duquel ont lieu alternativement l’adsorption d’un gaz sur un solide (adsorbat) à pression élevée (10 à 40 bars) tandis que la désorption est faite autour de la pression atmosphérique.
APU (Auxiliary Power Unit)
Groupe auxiliaire de puissance électrique (GAP) permet d’alimenter, non pas la traction, mais d’autres fonctions à bord d’un véhicule.
DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)
Pile à oxydation directe du méthanol. C’est une sous-catégorie de piles à combustible à membrane d’échange de protons dans lesquelles le combustible, le méthanol CH3OH, n’est pas reformé, mais est fourni directement à la pile à combustible.
EIS (Electrochimic Impedance Spectrometry)
Il s’agit d’une spectrométrie d’impédance électrochimique qui permet d’apporter des informations importantes sur l’état de santé d’une pile à combustible, et donc de sa capacité à répondre à la demande de puissance exigée.
GMP
Pour Groupe motopropulseur qui est un moteur électrique destiné à entraîner les roues.
HT-PEM...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BARBIR (F.) - PEM Fuel Cells: Theory and practices. - Elsevier Academic Press, San Diego, Califiornia (2005).
-
(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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Systèmes de piles à combustible – Applications fluviale, maritime, aérospatiale et portable.
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GENEPAC : pile à combustible PEMFC issue du partenariat PSA Peugeot Citroën (Stellantis) et CEA.
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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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Piles à combustible PEMFC et SOFC – Transferts de chaleur et de masse.
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