Piles à combustible PEMFC et SOFC - Description et gestion du système

Les piles à combustible PEMFC et SOFC font l'objet de deux articles : description et gestion du système [BE 8 595] et transferts de chaleur et de masse [BE 8 596].

Les piles à combustible dont le principe de fonctionnement, mis en œuvre par Sir William Grove, date de 1839, sont restées pendant de très nombreuses années des dispositifs de laboratoire. Au tournant des années 1960, elles sont devenues des générateurs d'énergie pour les applications spatiales. Leur intérêt pour des applications plus domestiques et plus courantes a ensuite été renforcé par la prise de conscience de l'effet de serre. Toutes les piles à combustible fonctionnent au stade réactionnel avec de l'hydrogène comme combustible et de l'oxygène comme comburant pour former de l'eau mais pour fournir également de l'énergie électrique et de l'énergie calorifique. Elles constituent donc a priori une source parfaite pour lutter contre l'effet de serre. Ce schéma idyllique est un peu théorique (pour ne pas dire simpliste) car le dihydrogène n'est pas présent comme molécule dans la nature et sa production par électrolyse de l'eau ou par reformage d'hydrocarbures ainsi que son conditionnement et son transport sont consommateurs d'énergie et dégagent des gaz à effet de serre. L'approche énergétique ne peut donc être que globale. Néanmoins, le rendement énergétique actuel des piles à combustible laisse présager un gain global et un développement dans le cadre de la filière hydrogène. C'est assurément une voie d'avenir sans que l'on puisse prévoir pour le moment une date de production en série, l'horizon le plus éloigné concernant les applications au transport individuel. D'autres domaines applicatifs risquent de se développer avant. Il s'agit des sources autonomes d'énergie électrique, voire de groupes de secours, ou d'applications stationnaires combinant l'utilisation de l'énergie calorifique et celle de l'énergie électrique (cogénération). Le pilotage est alors basé sur l'énergie calorifique, l'énergie électrique étant utilisée sur place ou renvoyée sur le réseau selon les besoins de consommation à couvrir.

Parmi l'ensemble des types de piles à combustible, l'article privilégie ici les piles à membrane échangeuse de protons PEMFC (« proton exchange membrane fuel cell ») et les piles à haute température SOFC (« solid oxide fuel cell ») qui fonctionnent toutes les deux avec des électrolytes solides et sont donc de bonnes candidates à la fois pour des applications stationnaires et pour des applications au transport. Aujourd'hui, si l'immense majorité des prototypes de véhicules réalisés utilise des piles PEMFC pour l'alimentation de la chaîne de traction électrique, le mode d'alimentation de la pile à combustible diffère selon les constructeurs. Les projets d'APU (« auxiliary power unit ») privilégient, quant à eux, les piles SOFC car elles sont susceptibles de fonctionner plus facilement avec de l'essence ou du gazole.

D'autres types de piles à combustible existent bien entendu, leur étude ne sera pas envisagée dans cet article. Ainsi, les piles DMFC (« direct methanol fuel cell ») sont de même nature que les piles PEMFC mais sont délicates à utiliser en raison d'une part de la toxicité du méthanol et d'autre part de leur faible densité surfacique de puissance. Les piles AFC (« alcaline fuel cell ») fonctionnent à basse température, environ 65 ^oC, mais l'électrolyte (hydroxyde de potassium KOH) est liquide et les électrodes dopées au platine et à l'argent. Les piles à acide phosphorique PAFC (« phosphoric acid fuel cell ») nécessitent une température beaucoup plus élevée (200 ^oC) ; l'électrolyte (acide phosphorique H₃PO₄) est à nouveau liquide et les électrodes sont dopées au platine. Quant aux piles à carbonate fondu MCFC (« molten carbonate fuel cell »), elles fonctionnent à 650 ^oC ; l'électrolyte est constitué de sels Li₂CO₃ /Na₂CO₃ fondus mais les électrodes sont en nickel. L'installation de plus forte puissance, soit 2 MW, a été réalisée avec ce dernier type de pile.

Les groupes électrogènes à pile à combustible, appelés communément « systèmes pile à combustible », qu'ils soient du type PEMFC ou du type SOFC, embarqués ou stationnaires, constituent des ensembles multiphysiques très complexes où les paramètres de fonctionnement interagissent fortement entre eux. La complexité d'un système pile à combustible est liée essentiellement aux contraintes de température, de pression et d'humidité des gaz qu'il faut imposer et maintenir dans des plages d'évolution très strictes et restrictives. En général, un système pile à combustible comporte donc trois circuits fluidiques consommateurs d'énergie : le circuit d'alimentation en comburant, le circuit d'humidification du ou des gaz et le circuit de refroidissement. Après avoir rappelé les grands principes de fonctionnement des piles PEMFC et SOFC, la première partie de cet article est donc naturellement consacrée à l'architecture et au contrôle d'un système pile à combustible PEMFC et SOFC. Nous nous intéresserons plus particulièrement, dans cette première partie, aux circuits carburant et comburant et au contrôle de la température en nous attachant à donner des valeurs numériques correspondant aux technologies actuelles. Nous préciserons enfin le schéma global d'un système pile à combustible avec les contrôles à mettre en œuvre.